超大型Y形柱地鐵車站振動臺試驗(yàn)研究

李積棟，陶連金，油新華，張金喜

(1. 中國建筑工程總公司技術(shù)中心，北京 101300;2. 北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124)

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超大型Y形柱地鐵車站振動臺試驗(yàn)研究

李積棟1,2，陶連金2，油新華1，張金喜2

(1. 中國建筑工程總公司技術(shù)中心，北京 101300;2. 北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124)

以北京地鐵新華大街站站為背景，開展大型Y形柱地鐵車站結(jié)構(gòu)振動臺模型試驗(yàn)，研究并對比分析單/雙層Y形柱地鐵車站結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)特點(diǎn)。結(jié)果表明：1)相同強(qiáng)度地震作用下，兩種工況的加速度峰值變化規(guī)律大體相同，但雙層工況中結(jié)構(gòu)模型各測點(diǎn)的加速度峰值大于單層工況。2)當(dāng)結(jié)構(gòu)模型中部存在中板時，結(jié)構(gòu)模型在地震荷載作用下的應(yīng)變分布規(guī)律發(fā)生較大改變，使得單層Y形柱結(jié)構(gòu)模型的應(yīng)變幅值與雙層Y形柱結(jié)構(gòu)模型的應(yīng)變幅值相差很大，其中Y形柱結(jié)構(gòu)尤為突出。

Y形柱；地鐵車站；地震響應(yīng)；振動臺；結(jié)構(gòu)模型

隨著地鐵的發(fā)展和地鐵施工技術(shù)的日漸成熟，對車站和區(qū)間隧道斷面結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)特色提出了新的要求[1-3]。在地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將會陸續(xù)出現(xiàn)具有大跨度，高斷面，寬柱距、異形柱等各種特色的結(jié)構(gòu)形式，其體量大、結(jié)構(gòu)形式美觀，以滿足人們對城市地下結(jié)構(gòu)實(shí)用性、美觀等多方位的需求。然而，地下工程震害表明，在發(fā)生強(qiáng)震時，結(jié)構(gòu)周圍土體的變形很大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的薄弱部位(如施工縫，中柱等)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷[4-6]。普遍認(rèn)為，這種大型復(fù)雜的斷面結(jié)構(gòu)形式較普通的斷面結(jié)構(gòu)，其在強(qiáng)震作用下結(jié)構(gòu)更易發(fā)生彈塑性破壞，出現(xiàn)多種不穩(wěn)定因素[7-9]。目前，這種超大型復(fù)雜地鐵車站結(jié)構(gòu)的抗震性能研究較少，周龍壯等[10]基于Y形柱地鐵車站，對鋼管混凝土Y形柱及混凝土平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震性能試驗(yàn)，李積棟等[11-12]通過振動臺試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，分析了水平地震和豎向地震作用下Y形柱地鐵車站的地震響應(yīng)規(guī)律。本文以北京6號線地鐵新華大街站為工程背景，開展超大型Y形柱地鐵車站結(jié)構(gòu)振動臺試驗(yàn)，對超大型Y形柱地鐵車站結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進(jìn)行研究，對比分析單層Y形柱車站與雙層Y形柱車站地震響應(yīng)的差異性。

1　工程背景

新華大街站位于新華東街北側(cè)，濱河北路西側(cè)160 m，為6號線快慢線中轉(zhuǎn)換乘站，雙層雙島四線式車站，埋深約3.5 m，遠(yuǎn)期與S6線換乘。車站總長為473 m，分為設(shè)備區(qū)、公共區(qū)和換乘節(jié)點(diǎn)3部分，其中公共區(qū)采用Y形柱受力體系，局部中板打開形成中庭效果，結(jié)構(gòu)寬度為40.7～41.9 m，高度18.8～28.8 m。Y形柱部分3種形式，一種為換乘節(jié)點(diǎn)部分Y形柱體系，一種為Y形柱帶中板斷面，一種為Y形柱中廳斷面(不設(shè)置中板)。Y形柱上部分為Y型鑄鋼件，下部分為Φ1 200圓管柱，鋼管及鑄鋼件內(nèi)部采用C50微膨脹自密實(shí)混凝土填充。Y形柱地鐵車站效果圖，如圖1所示。

圖1　Y形柱地鐵車站效果圖Fig.1 Working sketches of subway station with Y-shape column

2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1振動臺及模型箱

試驗(yàn)采用美國MTS公司生產(chǎn)的電液伺服驅(qū)動地震模擬振動臺，其臺面尺寸3.0 m×3.0 m，自重10 t，最大承載重為10 t，水平單向激振，頻率范圍為 0.1～50 Hz，臺面最大位移±127 mm。模型箱采用矩形懸掛式柔性剪切模型箱，容積為2.5 m×1.5 m×1.1 m，如圖2所示。

圖2　矩形懸掛式層狀柔性剪切型Fig.2 Rectangle suspension laminar shear model box

2.2模型試驗(yàn)相似比

結(jié)合振動臺性能、模型箱尺寸及儀器設(shè)備等確定相關(guān)參數(shù)，確定模型與原型以幾何相似比1∶50，質(zhì)量密度相似比1∶1及彈性模量相似比1∶4為基礎(chǔ)相似比。

2.3車站結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)原型地鐵車站結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)試驗(yàn)相似比的要求，并對原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化處理，最終確定模型試驗(yàn)尺寸。Y形柱地鐵車站結(jié)構(gòu)模型，長1 075 mm，寬838 mm，高386 mm，頂板厚28 mm，底板厚32 mm，邊墻厚30 mm，Y形柱橫截面直徑為24 mm，間距為180 mm，雙層Y形柱結(jié)構(gòu)模型是在單層結(jié)構(gòu)中施做距離車站底板約為150 mm間距180 mm中隔板。單層Y形柱地鐵車站結(jié)構(gòu)剖面圖見圖3。

圖3　單層Y形柱地鐵車站結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.3 Cross-section of subway station with Y-shape column

借鑒以往的振動臺結(jié)構(gòu)模型研究成果，采用標(biāo)號為C8的微?；炷梁湾冧\鋼絲分別模擬車站結(jié)構(gòu)混凝土和配筋。Y形柱結(jié)構(gòu)選取外徑24 mm，壁厚1.5 mm的鋼管焊接而成，并在鋼管內(nèi)灌注C8微粒混凝土，模擬鋼管柱。Y形柱車站結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。微?；炷猎噳K的平均抗壓強(qiáng)度和平均彈性模量分別3.17 MPa和6.93 GPa。

(a)單層Y形柱結(jié)構(gòu)模型； (b)雙層Y形柱結(jié)構(gòu)模型圖4　地鐵車站結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Model of subway station

2.4模型土體

模型土體選用北京地鐵6號線二期新華大街地鐵車站施工基坑中埋深為13～15 m的粉細(xì)砂，試驗(yàn)前需去除土體中的雜質(zhì)和較大土顆粒。

根據(jù)已有的振動臺試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，本試驗(yàn)采用分層夯實(shí)法和靜壓法相結(jié)合制備模型土。模型土體的平均含水率為7.970%，平均密度為16.416 kN/m3。

2.5地震波加載方案

本試驗(yàn)擬采用Kobe波和新華大街站作為振動臺輸入地震波。Kobe波為1995年日本阪神地震中神戶海洋氣象臺記錄的強(qiáng)震加速度記錄，取南北向的加速度記錄作為振動臺輸入波，加速度峰值為-817.061 cm/s2，地震波持時50 s，其中強(qiáng)震部分持續(xù)約10 s，主頻范圍約為0～5 Hz。新華大街站人工波也是通過數(shù)值模擬的方法合成的地震動時程，作為該場地土層地震動力反應(yīng)分析的地震動輸入值，加速度峰值156.389 2 cm/s2，持續(xù)時間為40 s，主頻范圍約為0～6 Hz。地震波加速度時程曲線及傅氏譜如圖5所示，超大型Y形柱地鐵車站結(jié)構(gòu)振動臺試驗(yàn)地震波加載工況見表1。

(a)Kobe波加速度時程曲線及傅氏譜；(b)新華大街站人工地震波加速度時程曲線及傅氏譜圖5　地震波加速度時程曲線及傅氏譜Fig.5 Acceleration time-histories and Fourier spectra of bedrock ground motion

Table 1 Seismic loading scheme for station with Y-shape column

序號輸入波類型加載編號輸入方向峰值加速度/g1白噪音FB1水平0.12人工波FX1水平3kobe波FK1水平0.34白噪音FB2水平0.15人工波FX2水平6kobe波FK2水平0.67白噪音FB3水平0.18人工波FX3水平9kobe波FK3水平1.010白噪音FB4水平0.111人工波FX4水平12kobe波FK4水平1.4

2.6試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)的主要研究內(nèi)容包括自由場模型土體的動力特性、典型單層三跨地鐵車站地震響應(yīng)、密貼交叉組合地鐵車站結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)(包括近遠(yuǎn)場地震作用)、不同空間交叉組合車站結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)規(guī)律(不同凈距、不同交叉角度)、超大型Y形柱地鐵車站結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)規(guī)律(單層、雙層)。本試驗(yàn)共分了2個工況，見表2。

表2　工況設(shè)計(jì)Table 2 Condition design

2.7傳感器布置

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康拇_定所需傳感器有加速度傳感器、拉線式位移傳感器、應(yīng)變片以及土壓力傳感器。傳感器布置如圖6～7所示。

圖6　非自由場工況加速度傳感器布置Fig.6 Accelerometer arrangement of Y(S)condtion

(a)Y形柱結(jié)構(gòu)模型加速度傳感器布置;(b)Y形柱結(jié)構(gòu)模型應(yīng)變片布置圖7　超大型Y形柱結(jié)構(gòu)模型傳感器布置Fig.7 Sensors location inside structure with Y-shape column

3　試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1加速度對比分析

2種工況下，Y形柱結(jié)構(gòu)各測點(diǎn)的加速度峰值對比，如圖8所示。由圖8可知，S工況中Y形狀結(jié)構(gòu)各測點(diǎn)的加速度峰值大于Y工況，其變化幅度隨著輸入地震波強(qiáng)度的增加呈先減小后增大的趨勢。其中，不同強(qiáng)度地震波作用下，測點(diǎn)YA5的加速度變化幅度最大，測點(diǎn)YA6的加速度變化幅度最小。

表32種工況邊墻加速度峰值的變化率

Table 3 Ratio of peak acceleration in the sidewall between two conditions

%

注：變化率=(aS-aY)/ aY

3.2應(yīng)變反應(yīng)分析

S工況中邊墻結(jié)構(gòu)和Y形柱結(jié)構(gòu)上各測點(diǎn)的應(yīng)變幅值對比，如圖9所示。結(jié)構(gòu)模型各測點(diǎn)的應(yīng)變幅值隨著輸入地震波強(qiáng)度的增加而增大，但與Y工況相比較，S工況中結(jié)構(gòu)模型各處測點(diǎn)應(yīng)變幅值的變化規(guī)律相差很大。

圖8　FK3工況Y形柱結(jié)構(gòu)加速度峰值對比Fig.8 Peaking acceleration comparison of Y-shape column in FK3 condition

(a)FK1工況;(b)FK3工況圖9　不同工況結(jié)構(gòu)模型的應(yīng)變幅值Fig.9 Strain amplitude of structure in different conditions

S工況中邊墻結(jié)構(gòu)底部測點(diǎn)S4的應(yīng)變幅值最大，頂部測點(diǎn)S1次之，這與單層工況邊墻應(yīng)變的變化規(guī)律恰好相反。

2種工況中，Y形柱結(jié)構(gòu)上應(yīng)變幅值的差異性主要集中在測點(diǎn)Y6和Y7。S工況中測點(diǎn)Y6和Y7應(yīng)變幅值的變化規(guī)律與Y工況相反，測點(diǎn)Y1的應(yīng)變幅值小于Y3，則也與Y工況相反。然而，造成以上應(yīng)變幅值變化規(guī)律與Y工況不同的主要原因是由于在結(jié)構(gòu)模型中部添加了中隔板，使得結(jié)構(gòu)模型在地震作用下的應(yīng)變分布情況發(fā)生改變。

由圖9可知，同一測點(diǎn)在2種工況中的應(yīng)變幅值相差很大。經(jīng)分析可得到如下規(guī)律：

2種工況中，Y形柱結(jié)構(gòu)底部測點(diǎn)應(yīng)變幅值的變化幅度較大，其中測點(diǎn)Y7應(yīng)變幅值增加的幅度最大，S-FK1工況是Y-FK1工況的3.0倍，S-FK3工況是Y-FK3工況的3.2倍。測點(diǎn)Y6應(yīng)變幅值減小的幅度最大，S-FK1工況是Y-FK1工況的72.34%，S-FK3工況是Y-FK3工況的63.16%，。

Y形柱結(jié)構(gòu)上部測點(diǎn)的應(yīng)變幅值變化幅度相對較小，其中測點(diǎn)Y3應(yīng)變幅值的變化幅度最小，不同工況下，測點(diǎn)Y3應(yīng)變幅值的變化幅度范圍在4.35%～11.11%之間。

不同地震波作用下，邊墻結(jié)構(gòu)測點(diǎn)的應(yīng)變幅值對比，如圖10所示。

S工況中邊墻結(jié)構(gòu)頂部測點(diǎn)S1的應(yīng)變幅值小于Y工況，其減小的幅度隨著輸入地震波強(qiáng)度的增加先增大后減小，其中FK2工況中，測點(diǎn)S1應(yīng)變幅值減小的幅度最大，為52.30%。

(a)測點(diǎn)S1的應(yīng)變幅值對比;(b)測點(diǎn)S4的應(yīng)變幅值對比圖10　Kobe波作用下邊墻測點(diǎn)的應(yīng)變幅值對比Fig.10 Strain amplitude comparison between two conditions under Kobe wave

S工況中邊墻結(jié)構(gòu)底部測點(diǎn)S4的應(yīng)變幅值大于Y工況，其增加的幅度隨著輸入地震波強(qiáng)度的增加先減小后增大，其中FK1工況中，測點(diǎn)S4應(yīng)變幅值增加的幅度最大，增大了2.12倍。

4　結(jié)論

1)相同強(qiáng)度地震作用下，2種工況的加速度峰值變化規(guī)律大體相同，但雙層工況中結(jié)構(gòu)模型各測點(diǎn)的加速度峰值大于Y工況。

2)2工況中Y形柱結(jié)構(gòu)的應(yīng)變幅值分布規(guī)律相差很大，其中底部測點(diǎn)應(yīng)變幅值的差異性較大，頂部應(yīng)變幅值的差異性相對較小，應(yīng)變幅值的差異性主要集中在測點(diǎn)Y6和Y7，在S工況中測點(diǎn)Y6和Y7應(yīng)變幅值的變化規(guī)律與Y工況相反，測點(diǎn)Y1的應(yīng)變幅值小于測點(diǎn)Y3，測點(diǎn)S1的應(yīng)變幅值小于測點(diǎn)S4，均也與Y工況相反。

3)單/雙層Y形柱地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震性良好，但由于雙層Y形柱車站結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)于單層車站結(jié)構(gòu)，建議在此類大跨度異性柱地鐵車站設(shè)計(jì)時，可在結(jié)構(gòu)中部添加中隔板，提高車站結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

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Research on shaking table test of ultra-large subway station with Y-shape column

LI Jidong1,2，TAO Lianjin2，YOU Xinhua1， ZHANG Xinxi2

(1. China State Construction Engineering Corporation Technology Center，Beijing 101300，China;2 .Beijing University of Technology， Beijing 100124，China)

The shaking table test of the ultra-large subway station structure with Y-shape column taking Xinhua street station in Beijing metro as background is carried out, and research on the seismic response of single and double Y-shape column subway station structure is achieved. The results show that, 1)The change rule of acceleration peak is similar in same seismic intensity, while the acceleration peak of double condition is larger than the single layer condition; 2)once a middle plate is added to the station structure, the distribution regularities of strain changed significantly under earthquake action. It will lead to the strain amplitude of single Y-shape column station structure become different with that of double Y-shape column station structure，especially Y-shape column structure.Key words：Y-shaped column; subway station; seismic response; shaking table; structure model

2015-12-24

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41242337)

李積棟(1987-)，男，山東東營人，博士，從事巖土與地下工程的研究；E-mail：ljd0911@emails.bjut.edu.cn

TU435

A

1672-7029(2016)10-2027-06