地鐵車站結構振動臺模型試驗的研究

地鐵車站結構振動臺模型試驗的研究【提要】：對地下鐵道開展建立抗震設計方法的研究正逐步得到人們的關注。本文通過分析地下構造振動臺試驗的現(xiàn)在狀況和難點，在這里基礎上進行地鐵車站構造振動臺模型試驗。利用振動臺對地鐵車站構造進行模型試驗在國內(nèi)尚屬初次，試驗工作的開展碰到很多困難，如模型箱的形式、模型土的配制方法及其動力特性、類似關系比確實定、傳感器類型的選擇與布置等。針對這些困難逐一開展了研究，并提出了解決方法，試驗結果表示清楚本文提出的試驗方法行之有效。【本文關鍵詞語】：地下構造振動臺試驗模型試驗地鐵車站abstract:tosetupan.aseismicdesignmethodanditsresearchformetroprojecthaswonmanyconcernsdaybyday.thepaperbywayofanalysingtheexistingconditions,andproblemsofvibrationstandtestforundergroundstructure,istoestablishmodeltestofvibrationstandformetrostationisthefirsttimeinthiscountrytomakemodeltestonmetrostationstructureonvibrationstand,encounteringmuchdifficulty,suchastheoatternofmodelbox,modelsoilprescription,anditsdynamiccharacteristics,tosetupasimilarityratio,aselectionoftranspondersanditsarrangement.astudyisgoingontotacklethemonebyone,resultinginofferingrespectivesolutions.thefindingssuggestthemethodproposedinthearticleiseffective.keywords:undergroundstructure,vibrationstandtest,modeltest,metrostation.1引言當前各國對地下構造的抗震設計開展的研究還較少，如在我們國家的〔地下鐵道設計規(guī)范〕〔gb50157-92〕中，對地下鐵道的抗震設計還無詳細規(guī)定。阪神地震及歷史上發(fā)生的大震一再表示清楚，軟土地基會增大地震作用的毀壞水平。上海市區(qū)的軟土地層厚達250~300m，其中，淺層普遍存在淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，以及易于發(fā)生振動液化的粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土和粉砂層等，因而特別有需要結合軟土地層的特點對地鐵構造開展建立抗震設計理論的研究［1］。其間碰到的困難，首先是對地震作用下地鐵車站構造與軟土的動力互相作用的特點缺少感性認識，故有需要對軟土地層中的地鐵車站構造進行振動臺模型試驗［2］，根據(jù)試驗結果對土構造動力互相作用的特點得出規(guī)律性認識，據(jù)以分辨可能產(chǎn)生震害的主導因素，以及建立分析理論和設計計算方法［3］。2地下構造振動臺模型試驗研究的現(xiàn)在狀況土-構造互相作用的研究起始于2030年代的后期，重要研究地基與上部建筑物互相作用的問題。20世紀70年代，由于核電站、沉埋隧道、海洋平臺等大型工程的興建，以及計算技術的發(fā)展，土-構造互相作用的問題日益遭到關注。在這類課題的研究經(jīng)過中，為驗證理論計算模型的合理性和分析土-構造動力互相作用的機制，振動臺模型試驗開始成為一種不可缺少的試驗技術。試驗研究重要集中在：砂土液化對構造的影響、土-樁的動力互相作用、土-土工構造的動力互相作用和土-地下構造的動力互相作用。(1993)等人利用振動臺對不同截面形式、不同截面寬度和在易液化土層中埋置深度不同的構造模型做了一系列振動臺試驗，研究構造形式及易液化層的厚度對土層液化水平和地下構造受力變形的影響。管道基本斷面形狀為矩形，寬度分別為150cm和75cm，高度和長度均為150mm和590mm。構造模型用鋁板制造。模型箱長、寬、高分別為1800mm、600mm和1100mm。模型土由易液化和不易液化的兩種土層構成，上部為易液化層，底部為不易液化層，材料均為干凈的toyoura砂，通過調(diào)整其密實度模仿易液化和不易液化的特性。管道埋置在易液化土層中，兩端與模型箱的壁面間設有厚5mm的軟海綿，以減小構造模型和砂箱界限間的摩擦阻力。日本建設省建筑研究所進行了建筑物-樁-地基系統(tǒng)的振動臺模型試驗［5］，模型比例為1/30?；A和樁知足幾何類似條件，建筑物模型則只考慮基本自振頻率和質(zhì)量的類似。為便于調(diào)節(jié)剪切波速，采取丙烯和膠狀粘土制造模型土。在模型土四周添置飽和氨基甲酸脂，用以減少界限效應的影響。太平洋地震工程研究中心在1997年、1998年做了一系列振動臺試驗研究土-樁-上部構造共同作用問題［6］。樁基礎模型的比例為1:8，用鋁合金制造。模型土由一定比例的高嶺土、膨潤土和粉煤灰構成，通過參加一定量的水調(diào)整其抗剪強度和阻尼比等的類似比例。sherif〔1984〕和savidis〔1985〕等人都利用大型振動臺對擋土構造做了模型試驗，研究地震作用下?lián)跬翗嬙焱獗淼奈灰品植肌油翂毫Φ姆植己突谆茪牡男问降葐栴}。和(1973)對沉埋隧道在地震時的反應做了振動臺模仿試驗，隧道構造模型的形式為8cm(8cm方形橡膠管。模型箱采取剛性材料制造，平面尺寸為1.5m(1.0m。采取明膠模仿砂土，試驗中沒有考慮尺寸效應和界限效應等問題。3地下構造振動臺模型試驗的技術難點地下構造振動臺模型試驗除需考慮一般地面構造試驗牽涉的難題外，還須考慮與其本身特點有關的很多難點。3.1類似比例問題地下構造振動臺模型試驗中，類似比例問題包含三個層面的含義，即地下構造模型與原型的類似，場地土模型與原型的類似，以及地下構造模型與場地土模型類似比例的匹配。類似比例問題首先來源于振動臺設備能力的限制，如臺面尺寸限制了模型的最大尺寸，模型系統(tǒng)的最大重量不能跨越振動臺的最大承載能力，試驗須在重力場條件下進行等。其次來源于模型材料的選擇，固然類似理論提供了類似原則，但因可供選擇的材料的種類很少，且模型材料的特性往往不能同時符合各類類似條件的要求，通常只能根據(jù)被研究的問題的特點，使重要類似指標得到知足，而放寬對其他指標的要求。3.2構造模型的尺寸與材料3.2.1地下構造模型的尺寸地下構造振動臺模型試驗中，構造模型的類似比例通常很小。其原因，一是由于地下構造平面尺寸較大，如地鐵車站的長度可達300m左右；二是為了盡量減少模型箱界限效應的影響，只能做大振動臺小構造試驗。除此之外，地下構造模型的尺寸問題還來自材料的工作狀況。進行彈性試驗時，可取較小的類似比例，最小可達1/200~1/300，而毀壞試驗，尤其是鋼筋混凝土構造模型的毀壞試驗，幾何類似比例一般不小于1/50，模型過小不僅會帶來制造、量測上的困難，而且模型構造構件的最小截面厚度、鋼筋間距、保衛(wèi)層厚度等也將無法知足模仿要求。3.2.2地下構造模型材料地下構造靜力試驗常選用石膏和石膏硅藻土等脆性材料制造構造模型，但在進行振動臺模型試驗時，構造模型埋置在模型土中，模型土含有的水份對石膏及石膏混合材料的強度和彈性性質(zhì)將會有很大的影響。地下構造振動臺彈性試驗常用的構造模型材料有：合成樹脂類材料，如有機玻璃和環(huán)氧樹脂；橡膠材料，如硅橡膠材料和乳膠材料。動力毀壞試驗中，制造構造模型的重要材料是微?；炷梁褪嗷炷?。3.3場地土模仿的材料與范圍3.3.1場地土的模仿材料當前對場地土采取的模仿材料可分為兩類，即采取重塑土或原狀土的類似材料制造模型土。采取重塑土的優(yōu)點是土顆粒的形狀、大小和粒徑級配等與原型一致。根據(jù)問題的性質(zhì)，對重塑土需采取適當?shù)姆椒ǜ淖兡承┲匾匦詤?shù)，以大致符合類似比例要求。如在研究與液化有關的問題時，通常采取干凈的砂，用水調(diào)整其飽和度和相對密度；在研究浸透和孔隙水壓力擴散的問題時，可在砂中參加一些粘性液體，如甘油或硅油，或粉煤灰等物質(zhì)來改變孔隙比，使得水壓力變化的時程符合類似比要求；有時也常參加鐵砂和氧化鉛等大比重物質(zhì)，作為改變密度的一種手段。采取類似材料制造模型土時，較為常用的材料有明膠顆粒、高嶺土和膨潤土等。試驗設計研究中需根據(jù)實際情況，通過參加水、甘油、橡膠屑等物質(zhì)，使其特性參數(shù)知足類似要求。一般說來，當前對場地土的模仿，在振動臺上還只能做到使模型土的密度、密實度或彈性模量與原型近似類似，而對動力特性模仿的能力還非常有限。3.3.2場地土的模仿范圍模仿范圍不僅應考慮場地土的平面尺寸與構造平面尺寸間的關系，而且應考慮場地土的平面尺寸與深度間的關系。n(1995)指出，在剛性模型箱內(nèi)對半無限平面進行模仿時，平面尺寸應為高度的1.0~1.5倍。除此之外，模型箱的形式和界限材料的特性對模仿范圍確實定也有很大的影響。3.4構造和場地土模型間類似比例的匹配土中構造的地震響應與其和土之間的剛度之比及阻尼之比等有關，其值通常直接影響接觸面上法向應力、切向應力的分布和構造的振動響應。類似系統(tǒng)由不同種類的材料構成時，模型試驗類似理論要求量綱一樣的參數(shù)類似比應堅持一致，但在實際試驗中，這一要求卻難以到達。例如模型材料的密度，通常可用附加人工質(zhì)量的方法使其知足類似要求，但因地下構造模型的比例較小，為使構造模型和模型土間密度的類似比例一致，必需附加很大的人工質(zhì)量，由此導致重量跨越振動臺的最大承重能力；與此同時，若在模型土中參加太多的人工質(zhì)量，必將導致土的自振特性和剛度特性顯著改變。因而，以往的試驗通常忽略對土的類似模仿，或在模仿時不考慮土、構造之間類似比例的匹配。3.5模型箱界限效應問題這類問題首先是手印擬半無限場地問題時，用于盛土的模型箱的界限對激振可構成反射波，使模型土的振動與自在場地中波傳播問題有很大的差別；其次是因模型箱內(nèi)外表與模型土之間存在摩擦力，使模型在低應力水平下〔未克制摩擦力之前〕剛度變大；除此之外，模型箱圍護材料對模型土應變有一定的約束作用，使模型土不能自在變形。因而，設計模型箱時應留意力求最大限度地減小界限效應的影響。whitman,lambe和kutter〔1981〕首先設計了用于離心機試驗的迭環(huán)式模型箱〔圖1〕。箱體構造由水平疊放的鋁環(huán)構成，靠彈簧對鋁環(huán)施加拉力將其相連，內(nèi)襯聚四氟乙烯。這類容器缺點是無法對箱體的側向剛度給予控制，因此造成在一定高度處，而不是在頂部，鋁環(huán)間相對位移最大，進而在土中構成拱效應。應留意使箱體的高徑比小于1，否則拱效應愈加明顯。另一缺點是無法證明箱體內(nèi)土體的變形為剪切變形，而不是彎曲變形。針對上述問題，hushmand〔1988〕等研制了用于離心機試驗的層狀模型箱，由方形鋁環(huán)疊放而成〔圖2〕，每環(huán)接觸面間安裝有輥珠，水平向摩擦力很小。為了限制最大位移量，在模型箱兩端設置了懸臂梁，預留位移空距為25.4mm。schofield和zeng［12］進一步對層狀模型箱做了改良，取消了環(huán)間接觸面上的輥珠，而替代以橡膠，以利于環(huán)間剪切變形愈加充足發(fā)展。用于振動臺試驗的模型箱一般都借鑒離心機試驗。philipmeyamand(1998)采取的模型箱的形狀為圓筒形，圍護材料為光滑橡膠皮。膠皮上部用圓形鋼梁固定，下部固定在鋼性板上。鋼梁由四根帶萬向節(jié)的支柱支承，容許模型箱側向變形。膠皮外部用質(zhì)地結實且重量很輕的纖維環(huán)繞糾纏，以便為圍護構造提供側向剛度。這種模型箱存在的問題和whitman設計的箱體一樣，即無法控制側向剛度，土體拱效應明顯。n(1995)在試驗中采取的模型箱的特點為：圍護界限用銷與底部連接，容許發(fā)生繞底部的遷移轉(zhuǎn)變變形；模型箱側面用聯(lián)絡梁相連，使其與箱內(nèi)土層的變形一致；界限材料有一定的柔性，盡可能反應土層沿豎向的變形規(guī)律。3.6量測信息和數(shù)據(jù)的收集在地下構造模型上安設量測儀器時，常會因構件尺寸較小而顯著改變構造的部分剛度，或者因空間尺寸較小而給量測儀器的設置帶來困難。土的動力反應的量測牽涉很多問題。如在土中埋置的傳感器可因質(zhì)量密度遠大于模型土而出現(xiàn)與土耦合振動的現(xiàn)象；激振時傳感器在土中的位置和方向有可能發(fā)生改變，難于得到期望部位的位移數(shù)據(jù)；以及模型土中的含水量很大時傳感器將不能正常工作。這些困難使在試驗時，土中常僅布置較少量的傳感器，而且重要是加速度計。在土中直接量測動應力和位移的分布，當前還沒有較好的方法。動力毀壞試驗中，觀察構造在不同階段的外觀變化也很主要，由于它可為分析判定構造的毀壞原因提供最直接的信息。然而對于沉埋在土中的地下構造，獲得這類信息頗有難度，只能重要通過應變片了解構造各部位毀壞的發(fā)展情況和最終毀壞形式。4地鐵車站構造振動臺模型試驗的研究模型試驗分自在場振動臺模型試驗和地鐵車站構造振動臺模型試驗兩類，后者又分典型地鐵車站構造振動臺模型試驗和可反映考慮區(qū)間隧道與地鐵車站接頭構造互相影響的地鐵車站接頭構造振動臺模型試驗兩種。4.1試驗裝配模型試驗在同濟大學進行，其振動臺臺面尺寸為4.0m×4.0m。圖3為模型箱的外觀圖，模型箱的界限由焊接熱軋等邊角鋼制成支撐框架，其內(nèi)采取木板作為箱體側壁。在與激振方向垂直的方向上，箱體壁面均襯厚175mm的模塑聚苯乙烯泡沫塑料板；而在順沿水平振動的方向上，則均粘貼光滑的聚氯乙烯薄膜。在模型箱底部粘結了一層碎石，以免激振時模型土體與底板間發(fā)生相對滑移。模型箱高1.2m，沿振動方向的凈長度為3.0m，垂直于振動方向的凈寬度為2.5m，箱中土體高度為1m。為防止模型箱和模型土因自振頻率接近而發(fā)生共振，對模型箱構造的自振頻率進行了模態(tài)分析計算，以確保其一階自振頻率遠離模型土的一階自振頻率。4.2類似關系試驗重要使地鐵車站構造抗側力構件的幾何尺寸和配筋盡量知足類似條件，對其余構造構件的類似關系則擬適當放松要求。對于土體介質(zhì)，擬重要使變形性能與原型類似。模型設計經(jīng)過中對端部約束對地鐵車站構造受力狀況的影響作了專題研究，理論分析結果表示清楚，模型試驗中車站構造模型的橫斷面離相近端的間隔達0.76倍車站寬度時，采取平面應變假設對其進行分析時誤差已可忽略。根據(jù)上述研究，可將長近約300m的地鐵車站構造縮短至112m，確定長度類似比例為1/30，使構造模型長度知足模型箱寬度要求，模型寬度尺寸至模型箱界限符合要求，以最大限度減小界限效應的影響。對模型土材料和構造模型材料的特性，本次試驗擬將質(zhì)量密度類似比例取為1，彈性模量類似比例取為1/5。以上參數(shù)確定后，由bockingham定理可導出其他物理量間的類似關系。4.3模型土的配制試驗將淤泥質(zhì)粘土選為原型土，據(jù)以配制模型土，采取褐黃色粉質(zhì)粘土制造模型土。試驗開始前，對獲得模型土優(yōu)化配比的途徑進行了研究，結論重要包含：應力求在最大動剪切模量值和動剪切模量與動剪應變間關系曲線的變化規(guī)律兩方面使模型土與原狀土盡量類似；鑒于塑性指數(shù)是關鍵影響因素，試驗經(jīng)過擬重要留意塑性指數(shù)的變化對土動力特性產(chǎn)生影響的規(guī)律；針對褐黃色粉質(zhì)粘土的特性，探尋求索通過控制摻水量及其密實度調(diào)整最大動剪切模量值的途徑。配制模型土時，首先將足夠干凈、枯燥的褐黃色粉質(zhì)粘土粉碎至均勻細顆粒狀，然后采取小型強迫型建筑攪拌機拌制模型土。在拌制經(jīng)過中嚴格控制摻水量，并通過采取分層機械壓密辦法，使裝箱后模型土的密實度能到達預定的要求。4.4構造模型的制造構造模型采取微?；炷粒扇″冧\鋼絲模仿混凝土構造中的鋼筋。鑒于構造模型的長度較長和需在模型構造內(nèi)部粘貼應變片，模型分三段澆注，養(yǎng)護15d后再澆注后澆帶。4.5傳感器類型的選擇與布置量測信息包含構造模型構件的應變值、模型土和構造的加速度值及模型土與構造之間的接觸壓力值，選用的傳感器分別為電阻應變傳感器、壓電式加速度傳感器及電阻應變片式土壓力盒。對埋置在模型土中的加速度傳感器進行了改裝，防止水影響其正常工作，且避免試驗經(jīng)過中加速度計可能出現(xiàn)與土耦合振動的情況。試驗設計中，對傳感器設置位置的優(yōu)選作了研究，進行的工作重要有：按三維問題的分析確定在沿車站構造長度方向上，構造受力變形的特征符合平面應變的假設條件的部位，以便在這些部位設置監(jiān)測斷面；按二維平面應變問題的分析確定橫斷面上構造構件受力變形最大的部位，并在這些部位設置傳感器。4.6地震輸入和試驗加載制度試驗選取三種地震波作為振動臺的輸入波，分別為eicentro波、上海人工波〔shw2〕和正弦波。利用等效線性化一維土層地震反應計算程序，算得在三種設防概率情況下，在基巖輸入上海人工波〔shw2〕，地表下30m土層部位的加速度反應時程的幅值分別為0.0231g、0.072g和0.101g，并以此作為振動臺試驗模仿的原型場地在三種概率下的加速度幅值。對于基巖輸入ei-centro波和正弦波情況，則按照上海人工波取值。試驗采取單向輸入鼓勵，臺面輸入的加速度峰值逐級遞增。輸入波的時間間隔和加速度峰值根據(jù)類似關系作了調(diào)整。在開始激振前用小振幅的白噪預振，使土體模型密實。其后每次改變加速度輸入峰值時亦均輸入白噪掃描，以觀測體系模型動力特性的改變情況。5結束語地下構造地震模仿振動臺類似試驗當前還存在許多難點，且無法圓滿地解決。在這種情況下，估計原型反應的可靠水平取決于模型設計的技巧和正確估計模型失真的影響，這需在試驗設計時，應該通過一些理論分析，為試驗模仿提供怎樣簡化構造形式和類似模仿參數(shù)的合理確定等信息。地鐵車站振動臺模型試驗研究順利實現(xiàn)了自在場振動臺模型試驗、典型地鐵車站構造振動臺模型試驗和地鐵車站接頭構造振動臺模型試驗。試驗記錄及后續(xù)的理論計算研究表示清楚，三種試驗都基本到達了預期的要求，且數(shù)據(jù)可靠。試驗完畢后，用放大鏡觀察了構造模型的外表和內(nèi)部構件，結果未見有任何損傷，可見試驗結果不僅為建立分析理論提供了根據(jù)，而且直觀地表示清楚了上海市現(xiàn)有的地鐵車站構造及其區(qū)間隧道的接頭構造具有足夠的抗震穩(wěn)定性，構造在設防烈度下將可安全可靠地使用。與此同時，構造模型中柱部位的應變相對較大，可見從優(yōu)化構造總體抗震能力的角度應適當加強地鐵車站構造中柱的剛度。以下為參考文獻［1］tokidak，etal，liquefactionpotentialandupliftdeformationofundergroundstructure［a］.in：soildynamicsandearthquakeengineering：ⅵ［c］,1993，365-380［2］林皋.土——構造動力互相作用［j］.，1991，11(1)：4-21［3］philipmeyamand.seismicsoilpil