廣州天河公園站主體結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究★

張濤 曹振剛* 吳坤 寧子健 王雁 岳焱超

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城建院，陜西西安 710043; 2.西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，陜西西安 710049)

我國(guó)城市地下空間開(kāi)發(fā)利用迅速發(fā)展，地鐵發(fā)展呈明顯增長(zhǎng)。日本阪神地震時(shí)地下結(jié)構(gòu)震害嚴(yán)重引起了工程界的重視［1］。地下結(jié)構(gòu)的研究模擬通常采取截面進(jìn)行簡(jiǎn)化的二維平面計(jì)算，計(jì)算模型和模擬很難反映真實(shí)的情況。特別是針對(duì)異形地鐵車站，其數(shù)值模擬的真實(shí)性更加難以保證，一般采用地下結(jié)構(gòu)模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)進(jìn)行研究。近年來(lái)很多學(xué)者進(jìn)行了大量的地下結(jié)構(gòu)模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。楊林德等［2］通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)中柱應(yīng)變較大。吳秉林等［3］通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)Y型柱地鐵車站進(jìn)行了研究，得到了結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)。廣州天河公園地鐵站是一個(gè)大型的三線換乘地鐵車站，車站平面結(jié)構(gòu)形式“L形”布置，形狀特殊，構(gòu)造復(fù)雜。本文針對(duì)其交叉節(jié)點(diǎn)處的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 模型相似關(guān)系設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨票扔葿ockingham定理［4］導(dǎo)出，如表1所示。

表1 模型相似比

1.2 模型制作

由于本項(xiàng)目模型尺寸過(guò)大，在選定的相似比關(guān)系下，無(wú)法考慮整體模型，因此選擇關(guān)鍵換乘節(jié)點(diǎn)部分進(jìn)行建模。圖1為交叉節(jié)點(diǎn)三維模型，圖2為交叉節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)物圖。

圖1 交叉節(jié)點(diǎn)三維模型

圖2 交叉節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)物圖

試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎梦⒘；炷林谱?，結(jié)構(gòu)中的配筋采用鍍鋅鋼絲模擬。模型試驗(yàn)中配筋設(shè)計(jì)兩個(gè)原則為:承載力相似原則、等面積配筋率原則。車站縮尺模型采用整體現(xiàn)澆，有利于原型結(jié)構(gòu)的受力特征。

1.3 模型箱的設(shè)計(jì)與土的制備裝箱

模型箱采用剛性固定邊界［5］。框架使用熱軋等邊角鋼和槽鋼焊接制成，底板采用鋼板，側(cè)壁采用木板。短邊箱體內(nèi)壁粘貼模塑聚苯乙烯泡沫塑料板，目的是為了減小側(cè)壁波的反射。長(zhǎng)邊箱體內(nèi)壁粘貼聚氯乙烯薄膜，目的是為了減小土體和箱壁的摩擦力。底板采用12 mm厚鋼板，面積為1.9 m×2 m，底板上打孔為了與振動(dòng)臺(tái)連接。模型箱底黏結(jié)一層碎石，目的是為了增大土體和箱底摩擦力，避免土體與箱底相對(duì)滑動(dòng)。模型箱如圖3所示。

圖3 剛性模型箱

李霞等［6］的研究提出，最接近原型土的制備方法是夯實(shí)和靜壓相結(jié)合的方法。我們參考該方法制作模型土。本試驗(yàn)的模型土高0.8 m，每填鋪100 mm厚虛土，人工夯實(shí)3遍。裝箱結(jié)束后，鋪10 t配重塊，靜壓3 d。

1.4 地震輸入和試驗(yàn)的加載制度

本實(shí)驗(yàn)振動(dòng)臺(tái)的輸入波采用El-Centro波，如圖4所示。在每一級(jí)荷載加載前，采用白噪聲掃描，以觀測(cè)模型的動(dòng)力特性。從0.1g 到1g逐級(jí)加載，每級(jí)差為0.1g。

1.5 試驗(yàn)裝置及傳感器布置

對(duì)整個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目傎|(zhì)量進(jìn)行估算，選擇與之匹配的振動(dòng)臺(tái)。振動(dòng)臺(tái)如圖5所示。本試驗(yàn)所需的傳感器有加速度傳感器、應(yīng)變傳感器、土壓力計(jì)。

本次試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)觀測(cè)斷面，其中1個(gè)主觀測(cè)面，1個(gè)輔助觀測(cè)面。按照前面試驗(yàn)?zāi)康募靶枰獪y(cè)量的數(shù)據(jù)類型，所需的試驗(yàn)元件有:加速度計(jì)(A)、混凝土應(yīng)變片(S)、土壓力計(jì)(P)。布置如圖6～圖8所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖4 El-Centro波地震加速度時(shí)程曲線

圖5 振動(dòng)臺(tái)與土箱

圖6 振動(dòng)方向布置圖

圖7 垂直于振動(dòng)方向斷面?zhèn)鞲衅鞑贾脠D

圖8 斷面測(cè)試元件布置圖

2.1 破壞現(xiàn)象

加載完成后，主體仍然完好，如圖9所示。主要有兩處破壞比較嚴(yán)重:

1)墻板交界處。墻板交界處產(chǎn)生水平軸向的貫通裂縫，如圖10所示。這是由于上層的層間位移較大，墻板交界處彎矩與集中力比較大。

2)上層中柱。部分頂層的中柱上端產(chǎn)生塑性鉸，鋼筋裸露，如圖11所示。試驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)值模擬一致，均為中柱處薄弱。

圖9 整體圖

圖10 部分側(cè)墻發(fā)生撕裂

圖11 部分中柱破壞

2.2 動(dòng)應(yīng)變反應(yīng)

應(yīng)變片貼于混凝土表面，由于加工的原因貼片質(zhì)量較差，以及混凝土的應(yīng)變性能較差，大震作用下應(yīng)變片普遍失效，所以本節(jié)我們只考察了0.1g El-Centro波輸入下的應(yīng)變反應(yīng)。各應(yīng)變片應(yīng)變時(shí)程如圖12所示。其中，應(yīng)變片S2和S3加載前已損壞，故無(wú)讀數(shù)。

圖12 應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變時(shí)程

圖13 結(jié)構(gòu)應(yīng)變峰值位置關(guān)系圖

表2 結(jié)構(gòu)應(yīng)變峰值位置關(guān)系表

圖13是小震時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)變峰值位置關(guān)系圖，表2是結(jié)構(gòu)應(yīng)變峰值位置關(guān)系表。圖13與表2體現(xiàn)了本模型的動(dòng)應(yīng)變規(guī)律:柱子的應(yīng)變與距地面的距離有關(guān)，底層柱子的應(yīng)變最小，頂層柱子的應(yīng)變最大;中柱的應(yīng)變最大。對(duì)照試驗(yàn)完成后模型的破壞現(xiàn)象，也是同樣的規(guī)律，頂層中柱破壞最嚴(yán)重，底層柱子基本完好。

分析原因，認(rèn)為地震波靠近地面放大程度越大，導(dǎo)致土體變形越大，被土體約束的結(jié)構(gòu)變形越大，證明地震作用下的地下結(jié)構(gòu)的破壞由位移控制。中柱變形大與試驗(yàn)破壞現(xiàn)象吻合。因此，在進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，頂層中柱屬于薄弱位置。如圖13所示，分析1-8軸截面的應(yīng)變，中柱的應(yīng)變相對(duì)較大。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)研究對(duì)河公園站三線換乘地鐵車站交叉節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，得到以下規(guī)律:

1)地震作用下的地下結(jié)構(gòu)的破壞由位移控制，地震波的放大與結(jié)構(gòu)距地面的距離有關(guān);

2)最大應(yīng)變處出現(xiàn)在頂層中柱，應(yīng)加強(qiáng)頂層的中柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);

3)墻板交界處彎矩和集中力較大，應(yīng)加強(qiáng)墻板交界處的設(shè)計(jì);

4)試驗(yàn)完畢后，地鐵車站基本完整，只有局部破壞?？梢?jiàn)該地鐵車站換乘節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)具有足夠的抗震穩(wěn)定性。