黃土地區(qū)地鐵地下車站地震變形特性研究1

張　佳　王毅紅　權(quán)登州　井彥林　葉　丹1）長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，西安 7100642）西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，西安 710018 長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安 710061

黃土地區(qū)地鐵地下車站地震變形特性研究1

張佳1，2）王毅紅3）權(quán)登州3）井彥林3）葉丹3）
1）長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064
2）西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，西安 710018 3）長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安 710061

張佳，王毅紅，權(quán)登州，井彥林，葉丹，2016.黃土地區(qū)地鐵地下車站地震變形特性研究.震災(zāi)防御技術(shù)，11（2）：272—282. doi：10.11899/zzfy20160210

在黃土場(chǎng)地與地鐵地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，測(cè)得地鐵車站結(jié)構(gòu)的應(yīng)變反應(yīng)?；趯?shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析地鐵車站的應(yīng)變反應(yīng)特征，對(duì)比不同觀測(cè)面內(nèi)應(yīng)變反應(yīng)，分析地鐵車站應(yīng)變反應(yīng)的空間效應(yīng)，對(duì)地鐵車站地震破壞特點(diǎn)進(jìn)行描述。結(jié)果表明：隨輸入峰值加速度增加結(jié)構(gòu)應(yīng)變?cè)龃螅晃靼踩斯げㄗ饔孟陆Y(jié)構(gòu)應(yīng)變大于松潘波和Taft波作用下的應(yīng)變。結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)變表現(xiàn)為中柱較大，側(cè)墻居中，頂、底板較小。地震動(dòng)較小時(shí)，中柱應(yīng)變表現(xiàn)為上層柱頂大于柱底，下層柱底大于柱頂，且上層柱頂大于下層柱底；側(cè)墻頂、底部應(yīng)變較大，中部較?。话鍢?gòu)件兩端應(yīng)變較大，中部較小。受結(jié)構(gòu)端部效應(yīng)及土結(jié)相互作用中傾斜與扭轉(zhuǎn)的影響，地鐵車站應(yīng)變反應(yīng)具有顯著的空間效應(yīng)，在低頻成分較發(fā)育的西安人工波作用下應(yīng)變反應(yīng)的空間效應(yīng)更顯著。研究結(jié)論可為黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)及相關(guān)理論研究提供重要參考。

黃土地區(qū)地鐵車站振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)應(yīng)變反應(yīng)空間效應(yīng)

引言

隨著我國(guó)西部地區(qū)城市地下空間開(kāi)發(fā)利用的加快發(fā)展，黃土地區(qū)地鐵工程日益增多（權(quán)登州等，2015）。由于黃土具有柱狀節(jié)理、大孔隙及弱膠結(jié)的特殊結(jié)構(gòu)性及對(duì)水的特殊敏感性（王志杰等，2010），使得黃土地區(qū)震害相對(duì)其它土類要嚴(yán)重的多。因此，對(duì)黃土場(chǎng)地條件下地鐵地下結(jié)構(gòu)開(kāi)展地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究具有重要意義。

近年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)特性開(kāi)展了廣泛深入的研究（Renjitha等，2014；Lanzano等，2012；Chen等，2013）。Jafarzadeh等（2010）進(jìn)行了系列振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了埋地管線在均質(zhì)和非均質(zhì)場(chǎng)地中的地震反應(yīng)；Amorosi等（2009）對(duì)圓形隧道的地震響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值分析；Azadi等（2010）基于FLAC 3D軟件研究了可液化地基隧道的地震反應(yīng)；Chian （2012）研究了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中不同邊界條件對(duì)模型結(jié)構(gòu)上浮特性的影響；楊林德（2003）等進(jìn)行了軟土地層中地鐵車站結(jié)構(gòu)及地鐵車站與區(qū)間隧道接頭結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)；陳國(guó)興（2010b）、Chen等（2015）在軟弱場(chǎng)地、可液化土層等不同地質(zhì)條件下進(jìn)行了土-地鐵地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究；劉晶波等（2010）對(duì)砂土地基中地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行了離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究；劉妮娜（2010）對(duì)地裂縫場(chǎng)地中地鐵區(qū)間隧道的地震反應(yīng)進(jìn)行了探索。然而，針對(duì)黃土場(chǎng)地中地鐵地下結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力反應(yīng)研究較少。

本文以西安地鐵工程建設(shè)為背景，進(jìn)行了黃土與地鐵地下車站結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，測(cè)得地鐵車站結(jié)構(gòu)的應(yīng)變反應(yīng)。然后，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析地鐵車站的應(yīng)變反應(yīng)特征，對(duì)比不同觀測(cè)面內(nèi)的應(yīng)變反應(yīng)，分析地鐵車站應(yīng)變反應(yīng)的空間效應(yīng)。最后，對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)地震破壞特點(diǎn)進(jìn)行描述。研究結(jié)論可為黃土地區(qū)地鐵車站、區(qū)間隧道及地下商業(yè)街等地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)及相關(guān)理論研究提供可靠資料。

1　試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1模型設(shè)計(jì)與制作

根據(jù)Bockingham π定理，選取長(zhǎng)度、彈性模量及加速度為基本物理量，并充分考慮試驗(yàn)系統(tǒng)的臺(tái)面尺寸、動(dòng)力性能、承載噸位及其它配套設(shè)備性能等制約，確定模型體系的相似關(guān)系見(jiàn)表1，試驗(yàn)中采用在結(jié)構(gòu)中粘貼鉛塊的方法實(shí)現(xiàn)附加人工質(zhì)量。

本研究以西安地鐵四號(hào)線飛天路車站為原型結(jié)構(gòu)，該車站位于黃土臺(tái)塬區(qū)，為典型的兩層雙跨矩形斷面結(jié)構(gòu)。采用微粒混凝土和鍍鋅鋼絲制作地鐵車站模型。根據(jù)相似設(shè)計(jì)確定模型結(jié)構(gòu)尺寸，按照原型與模型結(jié)構(gòu)構(gòu)件彎矩、剪力等效及施工可操作性原則，確定模型結(jié)構(gòu)中的鋼筋布置。試驗(yàn)使用的疊層剪切模型土箱凈尺寸為3.5m×2.0m×1.7m，采用15層疊層方鋼管框架并輔之以雙側(cè)面鋼板約束的方案，在水平振動(dòng)方向形成可以自由滑動(dòng)的邊界，該疊層剪切模型土箱能較好地消除邊界上地震波的反射或散射效應(yīng)（陳國(guó)興，2010a）。試驗(yàn)中黃土取自飛天路車站施工基坑，制備模型地基時(shí)，將黃土分層裝入模型土箱，按原型場(chǎng)地土天然含水量和密度控制模型地基含水量及密度。

表1　模型相似常數(shù)Table 1　Similar constants of test model

1.2傳感器布置與加載方案

本試驗(yàn)采用的激振系統(tǒng)為美國(guó)MTS公司生產(chǎn)的水平單向高性能地震模擬振動(dòng)臺(tái)，臺(tái)面尺寸為3.36m×4.86m，最大載重量25T，最大加速度±1.0g。基于ABAQUS大型非線性有限元分析平臺(tái)，采用有限元-無(wú)限元耦合的建模方法，對(duì)黃土場(chǎng)地中地鐵車站的地震響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果、模型尺寸及試驗(yàn)條件，確定振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中應(yīng)變測(cè)試位置，如圖1所示。圖中S為應(yīng)變片，共設(shè)44個(gè)。為了研究不同地震動(dòng)特性對(duì)黃土場(chǎng)地地鐵車站模型體系地震反應(yīng)的影響，分別選擇Taft波、松潘波和西安人工波作為輸入地震動(dòng)，其加速度時(shí)程及對(duì)應(yīng)的傅里葉譜如圖2所示，加載工況見(jiàn)表2。

圖1　黃土地區(qū)地鐵車站振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)傳感器布置Fig.1　Arrangement of sensors for shaking table test of subway station in loess area

圖2　輸入地震動(dòng)的加速度時(shí)程及傅里葉譜Fig.2　Accelerations time-histories and Fourier spectrum of input earthquake motions

表2　黃土地區(qū)地鐵車站振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)加載工況Table 2　Loading conditions for shaking table test of loess area

2　地鐵車站應(yīng)變反應(yīng)

輸入不同地震動(dòng)峰值加速度時(shí)，松潘波、Taft波及西安人工波作用下主觀測(cè)斷面的應(yīng)變幅值見(jiàn)表3。由表可知，在Taft波作用下，隨著輸入峰值加速度增大，地鐵車站結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變幅值基本呈現(xiàn)逐漸增大的規(guī)律。地鐵車站中柱應(yīng)變幅值較大，側(cè)墻的應(yīng)變幅值居中，頂板及底板的應(yīng)變幅值較小。此外，中板自身截面剛度小，應(yīng)變幅值相對(duì)較大。在松潘波及西安人工波的作用下，地鐵車站結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變幅值的變化規(guī)律與Taft波作用下相似。

由于地鐵車站與黃土介質(zhì)動(dòng)力相互作用過(guò)程中，結(jié)構(gòu)不同高度處動(dòng)力反應(yīng)的差異及構(gòu)件自身質(zhì)量與剛度的不同，地鐵車站各構(gòu)件的應(yīng)變幅值呈現(xiàn)出不同的分布特征。輸入的峰值加速度小于0.4g時(shí)，中柱應(yīng)變幅值表現(xiàn)為上層柱頂大于上層柱底，下層柱底大于下層柱頂，且上層柱頂大于下層柱底；側(cè)墻內(nèi)與頂板連接處應(yīng)變幅值較大，與底板連接處居中，與中板連接處較小；板構(gòu)件內(nèi)與側(cè)墻連接處應(yīng)變幅值較大，與中柱連接處應(yīng)變幅值較小。在較大地震動(dòng)作用下，土與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用劇烈，由于作用在結(jié)構(gòu)上動(dòng)土壓力的不均勻性及結(jié)構(gòu)局部損傷破壞等影響，地鐵車站結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件應(yīng)變幅值有所不同。由表3中T5、S5及X5工況應(yīng)變反應(yīng)可知，輸入不同頻譜特性的地震動(dòng)時(shí)，地鐵車站中各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變幅值基本呈現(xiàn)為西安人工波作用下較大，松潘波和Taft波作用下較小的特點(diǎn)。

表3　不同工況下主觀測(cè)斷面結(jié)構(gòu)應(yīng)變幅值（με）Table 3　Strain amplitudes of station in primary observation sections（unit:με）

續(xù)表

3　地鐵車站應(yīng)變反應(yīng)的空間效應(yīng)

輸入不同峰值加速度的各類地震動(dòng)時(shí)，地鐵車站結(jié)構(gòu)不同觀測(cè)斷面上中柱的應(yīng)變幅值見(jiàn)表4。由表4可知，輸入峰值加速度小于0.6g時(shí)，1號(hào)次觀測(cè)斷面中柱左側(cè)應(yīng)變幅值為上層柱頂大于上層柱底，下層柱底大于下層柱頂，且上層柱頂大于下層柱底，其分布規(guī)律與主觀測(cè)斷面相同。在T5工況中，1號(hào)次觀測(cè)斷面中同一結(jié)構(gòu)層內(nèi)應(yīng)變反應(yīng)規(guī)律雖未改變，但不同結(jié)構(gòu)層之間應(yīng)變反應(yīng)呈現(xiàn)出了不同的特點(diǎn)，壓應(yīng)變表現(xiàn)為下層柱底大于上層柱頂，拉應(yīng)變則為上層柱頂大于下層柱底，這可能與強(qiáng)震中周圍土體產(chǎn)生了不均勻的非線性塑性殘余變形，使結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜與扭轉(zhuǎn)有關(guān)。此外，從T6工況開(kāi)始，由于下層柱底出現(xiàn)了受拉破壞，從而表現(xiàn)為下層柱底拉壓應(yīng)變小于下層柱頂。

對(duì)比不同觀測(cè)斷面上層中柱頂部S4與S32，及下層中柱底部S1與S29測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變幅值發(fā)現(xiàn)，輸入峰值加速度不大于0.6g時(shí)，1號(hào)次觀測(cè)斷面的應(yīng)變幅值均大于主觀測(cè)斷面。隨著輸入峰值加速度的增加，逐漸出現(xiàn)1號(hào)次觀測(cè)斷面拉應(yīng)變幅值減小的現(xiàn)象。地鐵車站結(jié)構(gòu)端部整體截面剛度小，變形較大，由于1號(hào)次觀測(cè)斷面距端部較近，其截面剛度小于遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)端部的主觀測(cè)斷面，因此，在較小地震動(dòng)作用下，1號(hào)次觀測(cè)斷面的應(yīng)變幅值均大于主觀測(cè)斷面。由于1號(hào)次觀測(cè)斷面應(yīng)變較大，在較大地震動(dòng)作用下，其上層柱頂及下層柱底先出現(xiàn)受拉破壞，結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，從而出現(xiàn)1號(hào)次觀測(cè)斷面拉應(yīng)變幅值減小。對(duì)比不同觀測(cè)斷面下層中柱頂部測(cè)點(diǎn)S2與S30可發(fā)現(xiàn)，輸入峰值加速度小于0.6g時(shí)，其應(yīng)變幅值無(wú)明顯規(guī)律性；輸入峰值加速度大于0.6g時(shí)，均表現(xiàn)為1號(hào)次觀測(cè)斷面的應(yīng)變幅值較大，主觀測(cè)斷面的應(yīng)變幅值較小。結(jié)構(gòu)中柱內(nèi)靠近頂板、底板處應(yīng)變反應(yīng)較大，靠近中板處應(yīng)變反應(yīng)相對(duì)較小，因此，在較小地震動(dòng)作用下，S2與S30的應(yīng)變反應(yīng)相對(duì)較小，受應(yīng)變測(cè)量精度的影響，應(yīng)變幅值的規(guī)律性不明顯。在較大地震動(dòng)作用下，由于1號(hào)次觀測(cè)斷面距離結(jié)構(gòu)縱向端頭較近，截面剛度小于主觀測(cè)斷面，因此其應(yīng)變幅值大于主觀測(cè)斷面的應(yīng)變幅值。

上述分析表明，受結(jié)構(gòu)縱向端部效應(yīng)及土結(jié)相互作用中結(jié)構(gòu)傾斜與扭轉(zhuǎn)變形影響，地鐵車站中柱應(yīng)變反應(yīng)具有一定的空間效應(yīng)。由表4中T5、S5及X5工況應(yīng)變反應(yīng)可知，輸入不同頻譜特性地震動(dòng)時(shí)，西安人工波作用下的1號(hào)次觀測(cè)斷面與主觀測(cè)斷面內(nèi)同位置處應(yīng)變幅值差異較大，而在松潘波和Taft波作用下其差異較小，說(shuō)明在低頻成分較發(fā)育的西安人工波作用下，地鐵車站中柱應(yīng)變反應(yīng)的空間效應(yīng)更顯著。

表4　不同觀測(cè)斷面中柱應(yīng)變幅值（με）Table 4　Strain amplitudes of column in different observation sections（unit:με）

輸入不同峰值加速度的各類地震動(dòng)時(shí)，地鐵車站結(jié)構(gòu)不同觀測(cè)斷面上側(cè)墻的應(yīng)變幅值見(jiàn)表5。由表5可知，在較小地震動(dòng)作用下，1號(hào)次觀測(cè)斷面內(nèi)左側(cè)墻與頂板連接處應(yīng)變較大，與底板連接處居中，與中板連接處較小。在較大地震動(dòng)作用下，左側(cè)墻內(nèi)應(yīng)變表現(xiàn)為與底板連接處較大，與頂板連接處居中，與中板連接處較小。由此可見(jiàn)，1號(hào)次觀測(cè)斷面左墻應(yīng)變反應(yīng)沿結(jié)構(gòu)高度的分布與主觀測(cè)斷面基本一致。

對(duì)比分析不同觀測(cè)斷面內(nèi)側(cè)墻頂部S12與S36及側(cè)墻底部S9與S33測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變反應(yīng)表明，在較小峰值加速度的作用下，側(cè)墻應(yīng)變幅值較小，受應(yīng)變片測(cè)量精度的影響，應(yīng)變反應(yīng)的規(guī)律不明顯。在較大峰值加速度的作用下，側(cè)墻頂部主觀測(cè)斷面的拉應(yīng)變幅值大于1號(hào)次觀測(cè)斷面，而壓應(yīng)變幅值小于次觀測(cè)斷面；側(cè)墻底部呈現(xiàn)出相反的規(guī)律，主觀測(cè)斷面的壓應(yīng)變幅值大于次觀測(cè)斷面，而拉應(yīng)變幅值小于次觀測(cè)斷面，這說(shuō)明在土與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用過(guò)程中，1號(hào)次觀測(cè)斷面相對(duì)主觀測(cè)斷面發(fā)生了逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)，從而使拉應(yīng)變與壓應(yīng)變呈現(xiàn)出不同的特征。

綜上所述，在土結(jié)相互作用中，1號(hào)次觀測(cè)斷面發(fā)生了逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)，使得側(cè)墻應(yīng)變反應(yīng)具有一定的空間效應(yīng)。由表5中T5、S5及X5工況應(yīng)變反應(yīng)可知，西安人工波作用下1號(hào)次觀測(cè)斷面與主觀測(cè)斷面內(nèi)同位置處各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變幅值差的平均值較大，而松潘波和Taft波作用下其值較小。因此，在低頻成分較發(fā)育的西安人工波的作用下，地鐵車站側(cè)墻應(yīng)變反應(yīng)的空間效應(yīng)較顯著。

表5　不同觀測(cè)斷面?zhèn)葔?yīng)變幅值（με）Table 5　Strain amplitudes of sidewall in different observation sections（unit:με）

地鐵車站結(jié)構(gòu)不同觀測(cè)斷面上板構(gòu)件的應(yīng)變幅值見(jiàn)表6。由表6中1號(hào)次觀測(cè)斷面板構(gòu)件的應(yīng)變反應(yīng)可知，底板與側(cè)墻連接處應(yīng)變較大，中部應(yīng)變較小。頂板處應(yīng)變反應(yīng)呈現(xiàn)出了不同的特點(diǎn)：輸入峰值加速度不大于0.6g時(shí)，壓應(yīng)變表現(xiàn)為頂板與側(cè)墻連接處較大，拉應(yīng)變表現(xiàn)為頂板與中柱連接處較大；輸入峰值加速度大于0.6g時(shí)，拉壓應(yīng)變表現(xiàn)為頂板與側(cè)墻連接處較大，與中柱連接處較小。在地鐵車站縱向端部截面，由于無(wú)中柱支撐，截面剛度較小，在上覆土壓力及配重鉛塊重力的作用下，頂板中部向下產(chǎn)生了較小的豎向撓曲變形，使頂板中部底面產(chǎn)生了一定的初始受拉變形，頂板兩側(cè)底面產(chǎn)生了一定的初始受壓變形。在較小地震動(dòng)作用下，模型體系地震反應(yīng)相對(duì)較小，水平向整體變形較小。由于1號(hào)次觀測(cè)斷面距離結(jié)構(gòu)縱向端部較近，受結(jié)構(gòu)端部頂板初始豎向撓曲變形的影響較顯著，從而表現(xiàn)為頂板與中柱連接處拉應(yīng)變較大，與側(cè)墻連接處壓應(yīng)變較大的特征。隨著輸入峰值加速度增大，模型體系地震反應(yīng)逐漸增大。在較大地震動(dòng)作用下，模型體系變形較大，結(jié)構(gòu)端部頂板初始豎向撓曲變形對(duì)頂板應(yīng)變反應(yīng)的影響有限，水平向的變形逐漸成為頂板應(yīng)變反應(yīng)的主要影響因素。當(dāng)頂板與中板間產(chǎn)生較大的水平向剪切變形時(shí)，由于側(cè)墻的截面剛度大于中柱，頂板內(nèi)靠近側(cè)墻處的附加彎矩較大，從而表現(xiàn)出頂板與側(cè)墻連接處應(yīng)變反應(yīng)大于其與中柱連接處的應(yīng)變反應(yīng)的特點(diǎn)。1號(hào)次觀測(cè)斷面中板應(yīng)變反應(yīng)相對(duì)較大，這主要受兩方面因素影響：其一，由于地鐵車站縱向端部截面剛度較小，1號(hào)次觀測(cè)斷面距結(jié)構(gòu)端部較近，因此受結(jié)構(gòu)端部影響中板的應(yīng)變反應(yīng)較大；其二，由于中板厚度較薄，其自身截面剛度顯著小于頂板及底板，從而使其應(yīng)變相對(duì)較大。在較小地震動(dòng)作用下，由于側(cè)墻截面剛度較大，1號(hào)次觀測(cè)斷面中板靠近側(cè)墻應(yīng)變幅值大于靠近中柱處的應(yīng)變幅值；在較大地震動(dòng)作用下，由于中板與側(cè)墻連接處逐漸出現(xiàn)受拉或受壓裂縫，結(jié)構(gòu)內(nèi)力重新分布，變形機(jī)理發(fā)生改變，中板內(nèi)靠近側(cè)墻處的附加彎矩逐漸減小并向中板的中部轉(zhuǎn)移，從而中板與中柱連接處承擔(dān)更大的內(nèi)力，因此，1號(hào)次觀測(cè)斷中板中部壓應(yīng)變較大。

對(duì)比表6中1號(hào)次觀測(cè)斷頂板、中板及底板的應(yīng)變反應(yīng)發(fā)現(xiàn)，由于中板較薄，截面剛度較小，變形相對(duì)較大，因此沿觀測(cè)斷面橫向相同位置處，中板內(nèi)的應(yīng)變幅值均大于頂板、底板的應(yīng)變幅值。頂板與底板的應(yīng)變反應(yīng)在不同地震動(dòng)強(qiáng)度時(shí)表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)：在較小地震動(dòng)作用下，土與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用較弱，結(jié)構(gòu)周圍土體變形較均勻，頂板、底板的變形受其自身剛度影響較明顯，由于頂板厚度小于底板，截面剛度相對(duì)較小，因此頂板變形較底板更顯著，從而沿觀測(cè)斷面橫向相同位置處頂板的應(yīng)變幅值大于底板的應(yīng)變幅值；在較大地震動(dòng)作用下，土與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用強(qiáng)烈，結(jié)構(gòu)周圍土體殘余變形累積，產(chǎn)生了不均勻塑性變形，地鐵車站發(fā)生了扭轉(zhuǎn)和傾斜，使頂板、底板的變形發(fā)生了明顯的變化。對(duì)比1號(hào)次觀測(cè)斷面內(nèi)S37與S39、S40與S42測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變反應(yīng)發(fā)現(xiàn)，在板構(gòu)件與左側(cè)墻連接處，拉應(yīng)變表現(xiàn)為底板內(nèi)測(cè)點(diǎn)S37大于頂板內(nèi)測(cè)點(diǎn)S39，壓應(yīng)變表現(xiàn)為頂板內(nèi)測(cè)點(diǎn)較大。在板構(gòu)件靠近中柱右側(cè)處，拉應(yīng)變表現(xiàn)為頂板內(nèi)測(cè)點(diǎn)S42大于底板內(nèi)測(cè)點(diǎn)S40，壓應(yīng)變表現(xiàn)為底板內(nèi)測(cè)點(diǎn)較大，這可能與1號(hào)次觀測(cè)斷面相對(duì)主觀測(cè)斷面發(fā)生了逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)變形有關(guān)。

不同觀測(cè)斷面內(nèi)板構(gòu)件的應(yīng)變反應(yīng)呈現(xiàn)出了不同的特點(diǎn)。對(duì)比分析表6中底板內(nèi)靠近左側(cè)墻處S17與S37，及底板內(nèi)靠近中柱左側(cè)S20與S40測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變反應(yīng)發(fā)現(xiàn)，在較小地震動(dòng)作用下，由于底板剛度較大，總體變形較小，從而底板內(nèi)應(yīng)變反應(yīng)較小，受測(cè)量精度的影響，主觀測(cè)斷面和1號(hào)次觀測(cè)斷面內(nèi)應(yīng)變幅值的變化無(wú)明顯規(guī)律性；在較大地震動(dòng)作用下，與主觀測(cè)斷面相比，底板橫向位置相同處，1號(hào)次觀測(cè)斷面中S37的拉應(yīng)變較大，壓應(yīng)變較小，而S40的壓應(yīng)變較大，拉應(yīng)變較小，這是由于1號(hào)次觀測(cè)斷面相對(duì)主觀測(cè)斷面發(fā)生了逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)變形，引起了應(yīng)變反應(yīng)差異。對(duì)比分析頂板內(nèi)靠近左側(cè)墻處S19與S39，及頂板內(nèi)靠近中柱左側(cè)S22 與S42測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變反應(yīng)發(fā)現(xiàn)，與主觀測(cè)斷面相比，頂板橫向位置相同處，1號(hào)次觀測(cè)斷面中S39壓應(yīng)變較大，拉應(yīng)變較小，而S42的拉應(yīng)變較大，壓應(yīng)變較小。分析發(fā)現(xiàn)頂板與底板應(yīng)變反應(yīng)的空間分布存在顯著差異：在較小地震動(dòng)作用下，底板在主觀測(cè)斷面和1號(hào)次觀測(cè)斷面處應(yīng)變反應(yīng)無(wú)明顯規(guī)律性，而頂板在不同觀測(cè)斷面內(nèi)的應(yīng)變反應(yīng)呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律，這是由于1號(hào)次觀測(cè)斷面距離結(jié)構(gòu)縱向端部較近，頂板受端部初始豎向撓曲變形的影響較顯著，從而使頂板在1號(hào)次觀測(cè)斷面內(nèi)S42處產(chǎn)生了初始受拉變形，在S39處產(chǎn)生了初始受壓變形，因此，與主觀測(cè)斷面相應(yīng)位置的測(cè)點(diǎn)相比，S42的拉應(yīng)變較大，壓應(yīng)變較小，而S39壓應(yīng)變較大，拉應(yīng)變較小；在較大地震動(dòng)作用下，與主觀測(cè)斷面相比，1號(hào)次觀測(cè)斷面頂板測(cè)點(diǎn)S39壓應(yīng)變較大，拉應(yīng)變較小，而S42的拉應(yīng)變較大，壓應(yīng)變較小，這是受結(jié)構(gòu)端部頂板初始豎向撓曲變形，及強(qiáng)震中1號(hào)次觀測(cè)斷面相對(duì)主觀測(cè)斷面發(fā)生了逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)變形共同影響的結(jié)果。對(duì)比不同觀測(cè)斷面內(nèi)中板的應(yīng)變反應(yīng)發(fā)現(xiàn)，與主觀測(cè)斷面相比，中板橫向位置相同處，1號(hào)次觀測(cè)斷面中各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變反應(yīng)均較大，這是由于結(jié)構(gòu)縱向端部截面無(wú)中柱支撐，截面剛度較小，在地震動(dòng)作用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的變形，而1號(hào)次觀測(cè)斷面距離結(jié)構(gòu)端部較近，受結(jié)構(gòu)端部變形影響較大。因此，1號(hào)次觀測(cè)斷面中板各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變反應(yīng)均大于主觀測(cè)斷面相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變反應(yīng)。

綜上所述，受結(jié)構(gòu)縱向端部效應(yīng)及土結(jié)相互作用中結(jié)構(gòu)傾斜與扭轉(zhuǎn)變形影響，使得板構(gòu)件應(yīng)變反應(yīng)具有顯著的空間效應(yīng)。由表6中T5、S5及X5工況應(yīng)變反應(yīng)可知，在西安人工波作用下，1號(hào)次觀測(cè)斷面與主觀測(cè)斷面內(nèi)同位置處各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變幅值差的平均值較大，而松潘波和Taft波作用下其值較小。因此，低頻成分較發(fā)育的西安人工波作用下地鐵車站板構(gòu)件應(yīng)變反應(yīng)的空間效應(yīng)較顯著。

表6　不同觀測(cè)斷面板構(gòu)件應(yīng)變幅值（με）Table 6　Strain amplitudes of slab in different observation sections（unit:με）

續(xù)表

4　地鐵車站震害

試驗(yàn)結(jié)束后將模型結(jié)構(gòu)挖出，對(duì)其破壞進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)發(fā)生了嚴(yán)重破壞，如圖3所示。上層中柱出現(xiàn)典型的剪壓破壞，產(chǎn)生嚴(yán)重的豎向裂縫，下層中柱混凝土大量剝落，縱向受力鋼筋外露，上層中柱與頂板連接處及下層中柱與底板連接處破壞最為嚴(yán)重。模型結(jié)構(gòu)側(cè)墻與底板、頂板連接處產(chǎn)生裂縫，局部腋角鋼筋從混凝土基材中被拉出。除構(gòu)件間相互連接處，頂板、中板、底板及側(cè)墻的其它部位未見(jiàn)明顯破壞。試驗(yàn)過(guò)程中，布置于模型結(jié)構(gòu)內(nèi)的攝像頭采集的視屏數(shù)據(jù)更直觀的反應(yīng)了結(jié)構(gòu)破壞過(guò)程。視頻結(jié)果顯示，X6工況結(jié)束時(shí)，模型結(jié)構(gòu)破壞較小，僅在中柱與頂、底板連接處產(chǎn)生了裂縫；X7工況加載過(guò)程中，模型結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，中柱發(fā)生明顯開(kāi)裂及混凝土剝落。

圖3　地鐵車站的地震破壞Fig.3　Earthquake damage of the subway station

5　結(jié)論

本文進(jìn)行了黃土與地鐵車站結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，測(cè)得地鐵車站結(jié)構(gòu)的應(yīng)變反應(yīng)。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)地震動(dòng)作用下地鐵車站的應(yīng)變反應(yīng)特征進(jìn)行了分析。同時(shí)，對(duì)比不同觀測(cè)斷面內(nèi)的應(yīng)變反應(yīng)，分析地鐵車站應(yīng)變反應(yīng)的空間效應(yīng)。研究結(jié)論可為黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)及相關(guān)理論研究提供重要參考，主要結(jié)論如下：

（1）輸入不同動(dòng)峰值加速度時(shí)，除少數(shù)工況外，地鐵車站各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變幅值隨輸入峰值加速度的增加逐漸增大；輸入不同頻譜特性的地震動(dòng)時(shí)，地鐵車站各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變幅值呈現(xiàn)在西安人工波作用下較大，松潘波和Taft波作用下較小的特點(diǎn)。

（2）結(jié)構(gòu)中柱應(yīng)變幅值較大，側(cè)墻應(yīng)變幅值居中，頂、底板應(yīng)變幅值較小。中柱應(yīng)變幅值表現(xiàn)為上層柱頂大于柱底，下層柱底大于柱頂。側(cè)墻內(nèi)與頂板連接處應(yīng)變幅值較大，與底板連接處居中，與中板連接處較小。板構(gòu)件內(nèi)與側(cè)墻連接處應(yīng)變幅值較大，與中柱連接處應(yīng)變幅值較小。

（3）受結(jié)構(gòu)縱向端部效應(yīng)及土結(jié)相互作用中結(jié)構(gòu)傾斜與扭轉(zhuǎn)變形的影響，結(jié)構(gòu)各構(gòu)件應(yīng)變反應(yīng)具有顯著的空間效應(yīng)。地震動(dòng)較大時(shí)，在不同頻譜特性地震動(dòng)作用下，均表現(xiàn)出在低頻成分較發(fā)育的西安人工波作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)變反應(yīng)的空間效應(yīng)更顯著的特點(diǎn)。

（4）震害觀測(cè)表明，地鐵車站上層中柱與頂板連接處及下層中柱與底板連接處破壞最為嚴(yán)重。側(cè)墻與底板、頂板交接處裂縫破壞較明顯，局部腋角鋼筋從混凝土基材中被拉出。結(jié)構(gòu)應(yīng)變反應(yīng)及震害觀測(cè)均表明中柱頂、底部及側(cè)墻與板構(gòu)件連接處為地鐵車站抗震薄弱部位。因此，在黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)中柱頂、底部及側(cè)墻與板構(gòu)件連接處的延性，以提高其變形性能。

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AStudy on the Strain Response of Underground Subway Station in Loess Region

Zhang Jia1，2），Wang Yihong3），Quan Dengzhou3），Jing Yanlin3）and Ye Dan3）
1）School of Highway，Chang’an University，Xi’an 710064，China
2）Xi'an Metro Co.ltd.，Xi’an 710018，China
3）School of Civil Engineering，Chang’an University，Xi’an 710061，China

The shaking table test of dynamic interacture between subway station and loess region structure was performed，and the strain responses of subway station were measured in the test.The characteristics of strain response of station were analyzed，and the spatial effect of strain response were revealed by comparison the data of different observation sections.Meanwhile，the earthquake damages of station were summarized through observation after the test.The results show that the strain responses of station are increased with the increase of PGA，and the strain responses are more intensive under Xi’an artificial wave than that under Songpan wave and Taft wave.The peak strains are larger in center pillars than those in side walls，while the peak strains of floor slabs are the smallest. Under lower PGA ground motion，the peak strains of center pillars are higher at the top and lower at the bottom in upper layer，and higher at the bottom and lower at the top in sub layer，and the maximum strain are larger in upper layer than that in sub layer.The peak strains of side walls show high at the top and bottom and low at the middle，and the peak strains of floor slabs show high at the ends and low at center.In addition，the spatial effect of strain responses is obvious because of end effect and torsion of station.The results could provide references for aseismic design and theoretical research of underground structures in loess area.

Loess area；Subway station；Shaking table test；Strain response；Spatial effect

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41472267）；西安市地下鐵道有限責(zé)任公司科研基金資助項(xiàng)目（D4-YJ-042014048）

2016-01-20

張佳，女，生于1983年。博士生。主要從事城市軌道交通規(guī)劃、抗震研究。E-mail：375539874@qq.com

權(quán)登州，男，生于1983年。博士生。主要從事結(jié)構(gòu)抗震研究。E-mail：qdz0809@163.com