高速鐵路橋隧搭接結(jié)構地震響應振動臺試驗方法研究

孫廣臣， 何 山， 傅鶴林， 謝佳佑， 江學良， 鄭 亮

(1. 中南大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410075; 2. 中南林業(yè)科技大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410007;3. 湖南交通職業(yè)技術學院 建筑工程學院，湖南 長沙 410004; 4. 高速鐵路建造技術國家工程實驗室， 湖南 長沙 410075)

在我國西部和南部山嶺重丘區(qū)，尤其是復雜的地形、地貌條件，很多線路具有很高的橋隧比(有時甚至高達80%及以上)，因而出現(xiàn)了大量的橋隧相連現(xiàn)象[1]。橋隧搭接結(jié)構是一種已被廣泛應用的橋隧連接形式，可主要分為橋梁直接搭設在隧道內(nèi)部和橋臺在洞口與隧道連接兩大類。類似于隧道洞口段，處于地震帶的橋隧搭接結(jié)構若修建在軟弱圍巖中也同樣易遭受地震的嚴重破壞。地層條件比較差的山嶺隧道洞口段往往是抗震的薄弱區(qū)域，且在烈度較大、持時較長、往復振動次數(shù)較多的強震作用下易出現(xiàn)較大震害。隧道結(jié)構及其周邊圍巖常因局部突然破壞或損傷累積效應而導致強度、穩(wěn)定性顯著降低，由此引發(fā)結(jié)構整體倒塌破壞或滑坡、崩塌等嚴重災害。

但是，對于軟弱圍巖條件下以橋梁與隧道相互搭接而形成的橋隧搭接結(jié)構[2-3]，其所涉及的問題一般比常規(guī)隧道洞口段更復雜而難以深入解析和準確表述。對于處于軟弱圍巖條件下的橋隧搭接結(jié)構是否像常規(guī)的單一隧道洞口段有相同或類似的震害現(xiàn)象，或是有什么明顯不同，容易出現(xiàn)哪些問題或破壞現(xiàn)象，容易損傷或破壞的結(jié)構部位都有哪些且與單一隧道洞口段有何區(qū)別等一系列問題，目前均缺乏可靠的現(xiàn)場調(diào)查資料和確切的試驗研究結(jié)論。而且，橋隧搭接結(jié)構各部位及周圍巖土體在地震荷載下的復雜力學行為及損傷破壞特點，是否與其在車輛動荷載及其沖擊作用下的情況類似，也與橋隧搭接組合方式、結(jié)構類型、基礎形式、相對位置、地形、地質(zhì)條件及外荷載激勵特點等情況等密切相關，以及如何評估其所帶來的不利影響，也是值得進一步深入研究和探討的。此外，一般情況下，結(jié)構力學性能和承載力的退化，是橋隧搭接結(jié)構在遭遇地震時反復受力和變形導致的累積損傷的重要體現(xiàn)之一。對于強烈地震作用下的橋隧搭接結(jié)構所特有的一系列亟待解決的問題，如復雜的地震動力響應特性、力學性能和承載能力的劣化情況及其與損傷累積效應的相關程度，結(jié)構各種響應與不同損傷程度之間的耦合及相互影響關系等，目前的研究或成果鮮有涉及或大多也不能明確揭示。

目前國內(nèi)外學者或研究人員對軟弱圍巖條件下的橋隧搭接結(jié)構在地震作用下的損傷評估和結(jié)構地震動力響應的深入研究工作開展得很少，相關工程的抗震設計和震害評估工作還缺乏相應的試驗參考和理論支撐，亟待完善，開展軟弱圍巖條件下橋隧搭接結(jié)構的地震動力響應及災變行為研究具有廣闊的工程需求背景。因此，為研究地震作用下軟弱圍巖橋隧搭接結(jié)構的動力響應特性，本文依據(jù)相似理論和模型試驗[4-6]的方法，開展了強震區(qū)軟弱圍巖條件下橋隧搭接結(jié)構地震動力響應大型振動臺模型試驗方法研究。本文對相似比分析、各結(jié)構模型的相似比例選取與制作、圍巖材料配比與配制、加載方案、試驗工況、試驗平臺組成及測試方法等內(nèi)容及模型試驗方法，進行了系統(tǒng)的闡述和分析。

1 工程背景

20世紀90年代以來，隨著我國國民經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展和對基礎建設投資力度的逐年加大，我國在高速公路和高速鐵路建設方面均取得了舉世矚目的成就。在國內(nèi)，我國西部、南部多條鐵路、公路均上有大量橋隧搭接工程；而在國外，橋隧搭接相連在很多大型的跨越深谷、海峽等的橋梁、隧道工程上也比較多見。典型的橋隧搭接結(jié)構由跨越深谷、陡崖、江河、湖泊、海峽甚至海洋等的橋梁、隧道及洞口圍巖體、附近巖土體(高陡邊坡、橋頭錐坡等)及其它附屬構筑物(如邊坡?lián)踝o結(jié)構、排水設施)等組成，見圖1。橋隧搭接主要分為橋梁直接搭設在隧道內(nèi)部和橋臺在洞口與隧道連接兩大類。

據(jù)不完全統(tǒng)計，由于受復雜的地形和地質(zhì)條件限制，我國西部、南部山區(qū)存在著大量的修建在軟弱圍巖中的橋隧搭接結(jié)構。由于這些地區(qū)處于歐亞地震帶和環(huán)太平洋地震帶，地震活動比較頻繁，一旦橋隧搭接結(jié)構(尤其是高速鐵路上的)遭受地震的嚴重破壞，搶修、加固或再建的難度一般很大，成本和代價高昂，見圖2。近年來，隨著我國高速鐵路建設向中、西部地區(qū)延伸，大量處于復雜地質(zhì)、地段(如圍巖軟弱、破碎、富水、偏壓、巖溶、高海拔、凍土、地層軟硬不均、穿越坡積體或鄰近地震斷裂帶等)的橋隧相連工程相繼開工建設。在復雜自然環(huán)境條件與橋隧搭接這種特殊結(jié)構的雙重影響因素組合下，一旦發(fā)生較大地震，不但對橋隧搭接結(jié)構的安全、穩(wěn)定及過往車輛的行車安全有重大影響，還將為其后期運營、管理與維護埋下巨大安全隱患。若考慮后續(xù)使用過程中各種損傷、病害與破壞現(xiàn)象逐年增多的狀況，情況將更加復雜。因而，如何準確分析和研究其多源損傷力學行為特性與復雜多因素誘發(fā)之災變破壞機制、災害防治與安全控制技術等問題，以及如何優(yōu)化相關工程的設計、施工等，均已逐漸引起國內(nèi)、外廣大工程技術人員和相關學者的高度關注。

成昆鐵路擴能工程北接成都、南聯(lián)昆明，是提升老成昆線運能、優(yōu)化西南地區(qū)鐵路網(wǎng)的重要支撐項目，是成都平原經(jīng)濟區(qū)通往攀西經(jīng)濟區(qū)、大小涼山彝區(qū)，實現(xiàn)南下出川的重要走廊通道。全線分為成都—峨眉、峨眉—米易、米易—攀枝花、永仁—廣通、廣通—昆明幾段進行改造。其中，本文研究所依托工程月直山隧道及特克隧道出入口附近橋隧相連的峨眉至米易段(以下簡稱“峨米段”)正線約386 km，是整個成昆鐵路復線中施工難度最大、里程最長的一段。該段穿越幾個地質(zhì)斷層，將修建橋梁140余座、隧道40余座，橋隧占比達到73%且?guī)缀跞菢蛩硐噙B，途經(jīng)區(qū)域大多是高山峽谷，地質(zhì)、氣象條件惡劣，生態(tài)環(huán)境脆弱。故本文以上述工程實例為原型，開展橋隧搭接結(jié)構地震動力響應振動臺模型試驗研究。

2 試驗平臺及模型箱

2.1 振動臺試驗裝置

本次振動臺模型試驗，在高速鐵路建造技術國家工程實驗室的高速鐵路多功能振動臺實驗室內(nèi)完成。試驗所用振動臺的主要參數(shù)，見表1。

表1 振動臺性能及主要參數(shù)

試驗測試所用儀器、設備，見表2。

表2 試驗測試儀器設備匯總表

2.2 試驗平臺

橋隧搭接振動臺試驗模型箱及測試平臺，分別見圖3、圖4。

振動臺試驗所用模型箱采用厚鋼板、槽鋼支架及加厚有機玻璃等加工制成，其外輪廓尺寸為 350 cm×150 cm×200 cm(長度×寬度×高度)。為便于觀察，模型箱前面中間上半部分無遮擋或部分采用有機玻璃模板，見圖4。

3 試驗模型及相似關系

(1) 原型橋梁

橋梁上部結(jié)構：跨度32 m高速鐵路速度為350 km/h無砟板式軌道雙線整孔簡支箱梁，寬度為13.4 m，高度為3.05 m；橋臺為4樁埋置式橋臺，樁基礎直徑為1.5 m。

(2) 原型隧道

原型隧道為速度350 km/h、有仰拱曲墻式襯砌單洞雙線高速鐵路隧道。

(1) 標準段 隧道標準斷面尺寸(外輪廓)：寬度為14.86 m、高度為12.74 m(軌頂處凈寬度約為12.2 m)；隧道襯砌參數(shù)：28 cm厚初期支護+防水層+50 cm厚二次襯砌(仰拱底60 cm)。

(2) 擴大段(即橋隧搭接段) 隧道標準斷面尺寸(外輪廓)：寬度為16.36 m無仰拱樁基礎棚式明洞結(jié)構(軌頂處凈寬度約為13.7 m)，每側(cè)各設3根直徑為1.5 m的樁基礎；隧道襯砌參數(shù)：28 cm厚初期支護+防水層+50 cm厚二次襯砌(仰拱底60 cm)。

本次試驗中的隧道擴大段洞口為分離式洞門結(jié)構，本文中橋隧搭接結(jié)構的力學模型可簡化為橋梁與隧道結(jié)構之間通過軌道、路基及周邊巖土體而連接成為整體的橋隧巖相互作用力學模型。例如，以列車荷載對橋隧搭接段的作用與影響為例，橋跨結(jié)構、橋臺、隧道之間力的傳遞關系可假設為：列車荷載首先通過軌道系統(tǒng)傳遞至橋跨結(jié)構上，后(附加橋跨結(jié)構等的重力作用)再經(jīng)由橋臺及樁基礎傳遞至洞口圍巖及隧道結(jié)構。

考慮到振動臺的實際性能及主要參數(shù)，結(jié)合橋梁、隧道原型尺寸限制，試驗采用重力失真模型[7]。試驗將幾何尺寸、彈性模量、密度作為基本物理量，考慮到臺面尺寸、模型箱邊界效應及圍巖模型材料配制等條件限制，確定振動臺模型試驗[8-10]的幾何相似比為1/30，試驗中主要相似關系[11-13]及相似常數(shù)，見表3。

表3 模型試驗主要相似常數(shù)

注:由于綜合考慮到本次振動臺試驗的加載情況、模型加工難易程度與制作精度要求、模型箱內(nèi)土體填筑及橋隧搭接結(jié)構組裝方式、測點布設便利性以及模型對振動臺試驗的適用性等因素，模型采用與原型橋梁、隧道結(jié)構同標號細?；炷敛牧现谱鳎幢敬卧囼炛袠蛩斫Y(jié)構模型混凝土相似比為1∶1，其主要力學參數(shù)(如彈性模量、泊松比等)與原型結(jié)構近似一致。

4 結(jié)構模型及圍巖材料制備

4.1 橋梁模型

本次振動臺模型試驗中，橋梁結(jié)構模型參照實際工程32 m跨度的高速鐵路簡支箱梁橋[14]簡化制作而成，并采用與原型相同的材料，即梁板、樁基礎均為鋼筋混凝土模型，等效為矩形斷面，見圖5。橋梁板、樁基礎及橋臺模型分別采用C50和C30微?；炷敛牧现谱鞫?。橋梁原型與模型尺寸，見表4。

表4 橋梁結(jié)構模型與原型尺寸對比

類型橋梁跨徑/m梁高/m類型橋梁跨徑/m梁高/m原型323.050 模型1.070.087

振動臺試驗過程中，對橋梁墩、臺樁基礎邊界條件做如下處理：搭接端橋臺樁基礎底部嵌固和支撐在模型箱底部鋼板上，遠端矩形實心橋墩在測試過程中不考慮其豎向位移而將底部采用型鋼和螺栓與振動臺頂面固結(jié)。制備完成梁板、橋臺及樁基礎模型，見圖6。

隧道洞口的試驗測點布設以及模型箱的組裝與填筑情況，分別見圖7、圖8。

4.2 隧道襯砌模型

本試驗中的隧道模型依據(jù)實際工程中的高速鐵路單洞雙線鐵路隧道簡化制作而成，洞口擴大段采用無仰拱的分離式隧道洞門形式。試驗中的隧道襯砌[15-16]為鋼筋混凝土模型，分為擴大段和標準段兩段，均由C30微粒混凝土制作而成(內(nèi)含0.5 mm、間距為15 mm×15 mm的鋼絲網(wǎng))。制備完成且貼應變片的隧道襯砌模型，見圖9。

4.3 模型材料試驗

橋隧搭接結(jié)構模型材料C50、C30微粒混凝土的配合比及主要物理力學參數(shù)，見表5、表6。

表5 模筑微混凝土的配合比

表6 模型混凝土的物理力學參數(shù)

4.4 圍巖材料的配比及試驗

試驗圍巖采用質(zhì)量比10∶ 5∶1的重晶石粉、石英砂和鋰基潤滑油混合配制而成，其制備過程及配制好的復合材料物理力學參數(shù)(與原巖對比)分別見圖10、表7。

表7 圍巖原型和模擬材料物理力學參數(shù)

材料類型彈性模量E/GPa泊松比μ黏聚力C/MPa內(nèi)摩擦角φ/(°)容重γ/(kN·m-3)原巖1.3～6.00.30～0.350.2～0.727～3920～23模型0.0610.3100.03532.00020.300原巖1～20.35～0.450.05～0.220～2717～20模型0.0540.3800.03026.00018.400

5 試驗加載方案及測試方法

為了實現(xiàn)準確記錄和分析不同結(jié)構模型在多種不同地震激勵下的各測點的位移、速度、加速度、變形及位移等動力響應，在結(jié)構模型混凝土及圍巖相似模擬材料的配比試驗和物理力學性能測試試驗的基礎上，加工制作了反映橋隧結(jié)構形式、軟弱圍巖土體性質(zhì)及地形地貌特征的橋隧搭接結(jié)構模型，并制定了相應的結(jié)構模型地震動力響應試驗的測試方法、測點布置方案、加載工況及加載步驟，將結(jié)構模型及模擬圍巖復合材料裝載于特殊加工制作的模型箱置于振動臺，并進行了初步振動臺試驗測試。

為減小地震波在模型箱底部與側(cè)壁的損耗與反射等對試驗的不利影響，對測試模型(包含土體)的動力邊界效應作如下處理：將模型箱底板處理成摩擦邊界，將模型箱側(cè)壁處理成柔性邊界。具體做法為：在模型箱底部澆注一層8 cm厚素混凝土后，再在其上鋪設5 cm厚的碎石，以增大模型箱底板與模型土體之間的摩擦力；在模型箱側(cè)壁粘貼5 cm厚聚苯乙烯泡沫板，并在泡沫板與土體之間粘貼雙層聚氯乙烯薄膜，以減小模型箱側(cè)壁對圍巖土體的約束作用(見圖8(b))。

5.1 地震波選取及試驗加載方案

5.1.1 地震波選擇及處理

本次試驗主要選取EI-centro波、汶川波、kobe波3種地震波作為振動臺模型試驗的激振波。各地震波經(jīng)濾波處理后的加速度時程曲線及傅氏譜，見圖11。

5.1.2 試驗加載方案

為了考慮不同的地震波激勵方向或加速度峰值的影響，本次振動臺試驗制定了兩個相互獨立的加載方案(見表8、表9)，分別單獨加載測試和研究各自不同工況的地震動力響應、損傷累積與災變破壞情況。在多個方向加載時，考慮水平向垂直隧道軸線方向(X向)為主要加載方向，而在其它方向上加速度折減，即水平向沿隧道軸向(Y向)和豎向垂直隧道軸線方向(Z向)的加速度分別按0.85倍和0.65倍考慮。

表8 高速鐵路橋隧搭接試驗加載方案一

表9 高速鐵路橋隧搭接試驗加載方案二

5.2 試驗步驟

本次振動臺試驗的主要步驟為:

Step1完成各大組試驗模型和圍巖模擬復合材料的制作、制備，運送至實驗室內(nèi)并完成相關安裝、材料性能測試等前期工作。

Step2加工制作和裝填模型試驗箱，埋設試驗過程中所需的各類測試元器件，開展數(shù)據(jù)試驗測試、采集系統(tǒng)的前期調(diào)試等準備工作。

Step3實驗室操作及各組測試人員按照試驗預定方案完成振動臺設備操作和測試工作，完成各試驗工況下的數(shù)采設備、加速度傳感器、位移計等傳感器數(shù)據(jù)的采集工作。

Step4試驗后模型拆卸和震害調(diào)查分析工作。

5.3 試驗前的測試及準備

(1) 試驗前的測試

正式試驗前，進行各結(jié)構模型及圍巖相似模擬材料的物理力學特性測試試驗。

(2) 測試儀器設備的準備、標定和調(diào)試

在每種工況組合的試驗前，必須先對試驗儀器進行調(diào)試與校對、檢查測試元器件的埋設情況是否良好等，方可進入下一步具體試驗操作。

(3) 試驗測試設備、采集儀器及測試傳感元器件的連接和調(diào)試、初步測試及儀器故障和誤差的排除

① 測試元器件與儀器的正確連接和調(diào)試；

② 正式試驗前的初步測試與聯(lián)調(diào)聯(lián)試；

③ 儀器故障和試驗誤差的排除。

5.4 試驗結(jié)果分析

限于篇幅，本文暫僅對部分加速度試驗結(jié)果進行初步分析。

高速鐵路橋隧搭接振動臺試驗中，幾種不同地震加載方向下各測點沿X、Y、Z方向的加速度變化情況，分別見圖12。試驗中各方向的加速度放大系數(shù)是通過如下方式計算得到的：首先采用高敏感加速度傳感器分別測量并記錄每個測點沿3個方向的(X、Y、Z向)的實際加速度時程曲線(測量頻段一般為0～5g)；而后，某一測點沿某一方向(X、Y、Z向)的加速度放大系數(shù)為該測點的加速度峰值與振動臺臺面上對應方向的加速度峰值的比值；在多個輸入方向疊加時，該參數(shù)沿某一方向(X、Y、Z向)的值按多方向疊加的實測單向加速度峰值分別計算。

由圖12的試驗結(jié)果可見：

(1) 軟弱圍巖條件下的高速鐵路橋隧搭接段各測點在雙向激振下(XY、XZ、YZ)的各測點加速度大都比任一單一方向激勵(X、Y、Z向)所引起的響應大(個別測點除外)，即雙向地震激勵將顯著增大橋隧搭接結(jié)構的地震動力響應(如加速度)，因而更不利于橋隧結(jié)構的安全。

(2) 對比圖12中不同測點的同一方向加速度放大系數(shù)值，可知：Y向地震激振的加入對各測點沿任一單方向(X、Y、Z向)加速度的影響，均比X向或Z向的影響大。而這是否可能與試驗模型在隧道洞口外側(cè)(沿Y向)是臨空的或是受較差的圍巖性質(zhì)影響有較大關系，還仍待后續(xù)深入分析和討論后才能確定。

此外，在試驗初步測試過程中，振動臺臺面輸入的地震波波形重現(xiàn)誤差在設備性能允許范圍內(nèi)小于10%(有時甚至小于5%)，滿足試驗要求。綜合對比一系列初步試驗結(jié)果(受篇幅和其他因素限制，在此暫先不贅述，見另文)，試驗實測結(jié)果數(shù)據(jù)可讀性和辨識性均較好且與預期結(jié)果數(shù)據(jù)偏差較小，具有較好的與預期值相一致的規(guī)律性和吻合度，較好地達到了預期試驗目的。同時，也從另一個角度說明本文振動臺模型試驗方法的有效性和準確性是有良好保障的。

6 結(jié)論

為探討軟弱圍巖條件下橋隧搭接結(jié)構在地震作用下的動力響應、損傷及災變行為規(guī)律，本文針對目前國內(nèi)外對軟弱圍巖條件下橋隧搭接結(jié)構地震動力響應研究較少的現(xiàn)狀，依據(jù)相似理論和模型試驗的方法，提出了一種高效且重復可操作性強的橋隧搭接結(jié)構振動臺模型試驗方法，主要工作內(nèi)容及取得的結(jié)論如下：

(1) 依據(jù)相似原理，利用量綱分析法分析了橋隧搭接結(jié)構振動臺模型試驗中橋梁、隧道結(jié)構模型及圍巖相似模擬材料各物理量間的相互關系，給出了主要試驗參數(shù)及相似關系。

(2) 擬定了橋梁、隧道模型的相似比例、主要尺寸和制作方法，確定了隧道洞周圍巖相似模擬材料的配制原則和配合比，并進行了相關材料性能試驗；同時，介紹了橋隧搭接結(jié)構振動臺模型試驗平臺測試系統(tǒng)及測試方法，以供今后類似試驗參考。

(3) 分析了橋隧搭接結(jié)構振動臺模型試驗的初步測試結(jié)果及本文振動臺試驗方法的特點。初步試驗結(jié)果表明，本文所構建的橋隧搭接結(jié)構振動臺模型試驗方法是一種行之有效的研究方法，能較好地模擬和深入研究強震作用下橋隧搭接結(jié)構動力響應特點及其變化規(guī)律，是確保后續(xù)研究取得良好結(jié)果的可靠保障。

本文為下一步深入進行軟弱圍巖條件下橋隧搭接結(jié)構大型振動臺模型試驗作了相關準備工作，試驗結(jié)果的整理與分析見另文。