多層地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)研究

陳之毅，劉文博，陳 煒

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；3.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海200092）

近年來(lái)，我國(guó)已進(jìn)入地鐵工程的大規(guī)模建設(shè)和快速發(fā)展時(shí)期，城市地下公共交通設(shè)施正朝著地下多層化、多層次方向發(fā)展。以上海13號(hào)線淮海中路車(chē)站為例，其地下連續(xù)墻深度達(dá)71m，為地下六層島式地鐵車(chē)站，主體結(jié)構(gòu)高度近30m［1］。多層地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)沿深度加長(zhǎng)，使得作用在側(cè)墻上的水土壓力增大、中柱的軸壓比增大、側(cè)墻抗側(cè)剛度下降。此外，由于地下空間功能需求的多樣化（如設(shè)置換乘大廳、設(shè)備轉(zhuǎn)換層等），使得結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜、抗震薄弱環(huán)節(jié)不易察覺(jué)。因此，有必要對(duì)多層地鐵車(chē)站的抗震性能開(kāi)展研究。

工程結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)是研究結(jié)構(gòu)抗震的重要手段，主要分為靜力試驗(yàn)和動(dòng)力試驗(yàn)［2］。目前，地下結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域開(kāi)展較多的是振動(dòng)臺(tái)模型實(shí)驗(yàn)，研究了不同水平地震動(dòng)下的地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題，并取得了一定的成果［3-7］。通過(guò)對(duì)模型相似比的正確處理，振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)可以較好地模擬地下結(jié)構(gòu)的受震過(guò)程，因此適合于研究結(jié)構(gòu)的震中動(dòng)力響應(yīng)，以建立其相關(guān)的分析理論和計(jì)算方法［3］。但是，為了考慮周?chē)翆咏橘|(zhì)，車(chē)站模型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)比尺非常小，不利于對(duì)結(jié)構(gòu)損傷觀察和數(shù)據(jù)采集，動(dòng)力相似比條件也總是很難完全滿足。因此，一種基于結(jié)構(gòu)靜力彈塑性方法的試驗(yàn)——Pushover試驗(yàn)，受到了人們的重視。這種方法本質(zhì)上是一種與反應(yīng)譜相結(jié)合的靜力彈塑性分析方法，在地面結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的研究和應(yīng)用［8-9］。它按一定的水平加載方式，對(duì)結(jié)構(gòu)施加單調(diào)遞增的水平荷載，逐步將結(jié)構(gòu)推覆至預(yù)定的目標(biāo)位移或某一極限狀態(tài)，以便分析結(jié)構(gòu)的非線性性能，判別結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的受力及變形是否滿足設(shè)計(jì)要求?？梢钥吹?，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)成果側(cè)重于關(guān)注對(duì)某一地震水平下的結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)，而Pushover試驗(yàn)則與地震激勵(lì)無(wú)關(guān)，側(cè)重于了解結(jié)構(gòu)自身的能力，例如力學(xué)性能、變形發(fā)展規(guī)律以及破壞特征等等［10-14］。

一些日本與國(guó)內(nèi)學(xué)者也開(kāi)展了研究地下結(jié)構(gòu)抗震性能的Pushover試驗(yàn)。曾良岡宏等［15］探討了1：1箱形暗渠試件主受力鋼筋量與不同結(jié)構(gòu)體系對(duì)推覆中水平抗力和變形能力的影響。松尾豐史等［16］研究了箱型暗渠結(jié)構(gòu)在剪切鋼筋銹蝕后承載力下降的程度。孔令?。?7］分析了大型箱涵結(jié)構(gòu)在推覆荷載作用下的破壞形態(tài)、節(jié)點(diǎn)開(kāi)裂現(xiàn)象及滯回曲線等。然而，目前針對(duì)地下結(jié)構(gòu)的性能試驗(yàn)研究主要集中在箱涵、沉管等單框結(jié)構(gòu)形式的結(jié)構(gòu)上，或車(chē)站結(jié)構(gòu)的某些局部構(gòu)件上［18-19］。且隨著地下結(jié)構(gòu)抗震理論與設(shè)計(jì)方法的不斷發(fā)展，一些試驗(yàn)的研究對(duì)象對(duì)現(xiàn)代地下工程的設(shè)計(jì)參考作用越來(lái)越有限。例如，曾良岡宏等的試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M上世紀(jì)60年代的二聯(lián)體箱形暗渠，與現(xiàn)代地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，抗剪鋼筋較少。對(duì)于現(xiàn)代地下工程更常見(jiàn)的多層地鐵車(chē)站，由于結(jié)構(gòu)形式更復(fù)雜、薄弱環(huán)節(jié)更多，其在地震作用下的性能表現(xiàn)尚不清楚?？梢钥吹剑槍?duì)多層車(chē)站結(jié)構(gòu)的抗震性能研究尚需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累。

1 模型設(shè)計(jì)與試驗(yàn)設(shè)備方案

1.1 模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料參數(shù)

模型試驗(yàn)原型為高度30m的四層地鐵車(chē)站，采用幾何比尺為1：10的縮尺模型，原型地鐵車(chē)站中，沿縱向中柱間距為8m，選取此間距按平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即模型結(jié)構(gòu)厚度為0.8m。圖1所示，模型尺寸為2.36m寬，2.68m高，0.8m厚。

圖1 模型全貌及尺寸細(xì)節(jié)圖（單位：mm）Fig.1 Full view and size details of model(Unit:mm)

模型結(jié)構(gòu)中，中柱采用C45混凝土，其余構(gòu)件采用C35混凝土；受力鋼筋、箍筋和構(gòu)造配筋均為HRB400鋼。材料強(qiáng)度如表1所示。

經(jīng)前期研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)際工程中地下連續(xù)墻深達(dá)71m，且車(chē)站結(jié)構(gòu)底板下部設(shè)有眾多抗拔樁，在地震作用下車(chē)站結(jié)構(gòu)的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)可忽略不計(jì)。因此，在設(shè)計(jì)模型時(shí)，假定模型底部邊界固定。具體的模型結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)及主要構(gòu)件配筋如圖1所示。

表1 材料強(qiáng)度參數(shù)（單位：MPa）Tab.1 Material strength parameters（Unit:MPa）

1.2 模型相似關(guān)系設(shè)計(jì)

試驗(yàn)方案采用Buckingham-π定理，以幾何尺寸、彈性模量和密度相似比為基本量，推導(dǎo)求得其他未知相似比，列在表2中。為正確反映原型結(jié)構(gòu)的彈塑性性質(zhì)，依據(jù)量綱分析結(jié)果，模型結(jié)構(gòu)采用與原結(jié)構(gòu)相同的混凝土和鋼筋。根據(jù)相似關(guān)系，需要增加配重以模擬結(jié)構(gòu)縮尺后增大的結(jié)構(gòu)密度。由于模型中儀器布置密集，且配重安放空間有限，采用直接在結(jié)構(gòu)頂部施加豎向荷載的方法代替配重。通過(guò)前期數(shù)值模擬驗(yàn)證，該加載方法可以確保底部中柱軸壓比保持恒定。

表2 模型結(jié)構(gòu)相似比Tab.2 Similarity ratio of model structure

1.3 加載裝置

試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)地震工程館進(jìn)行，借助于大型反力墻和箱型地錨組成的靜力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展試驗(yàn)工作。其他主要試驗(yàn)設(shè)備包括垂直與水平向的伺服作動(dòng)器、分配梁、反力架、預(yù)應(yīng)力拉桿與測(cè)量裝置等。實(shí)際制成并安裝后的模型如圖1所示，通過(guò)錨桿將模型基座固定在箱型地錨上。側(cè)向通過(guò)3臺(tái)伺服作動(dòng)器模擬地震動(dòng)土壓，量程分別為500kN，1 000kN和2 000kN。

1.4 儀表布置方案

圖2為觀測(cè)面上模型結(jié)構(gòu)的測(cè)量裝置布置，包括134片應(yīng)變片、13個(gè)拉線式位移計(jì)、10個(gè)力傳感器，圖中S、D和L分別代表應(yīng)變片、拉線式位移計(jì)和力傳感器，括號(hào)表示垂直截面方向上前后布置。

其中，力傳感器用于測(cè)量施加側(cè)向預(yù)應(yīng)力的大小，布置在對(duì)應(yīng)的預(yù)應(yīng)力拉桿上。拉線式位移計(jì)用來(lái)測(cè)量測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)位移。采用鋼管搭設(shè)拉線式位移計(jì)固定架并固定于箱型地錨上，將拉線式位移計(jì)安裝于固定架上。根據(jù)前期研究，將應(yīng)變片布置在易破壞部位，包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件交界處及中柱端部。由于在頂部存在分配梁，在左側(cè)墻存在作動(dòng)器的安裝，這兩處應(yīng)變片無(wú)法布置在中部，選擇沿縱深方向前后各布置一片，計(jì)算其平均應(yīng)變，以表示中部的對(duì)應(yīng)應(yīng)變。

圖2 模型結(jié)構(gòu)觀測(cè)面?zhèn)鞲衅鞑贾肍ig.2 Sensor layout of model structure viewing plane

2 試驗(yàn)加載方法

2.1 初始靜荷載模擬

多層地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)所受的靜力荷載主要包括地面超載、上覆土自重、側(cè)向靜止水土壓力。其應(yīng)在地震動(dòng)作用模擬前加載完成。如圖3所示，模擬方式分為兩類：

（1）上覆土荷載、地面超載及配重通過(guò)豎向作動(dòng)器模擬，并通過(guò)兩根分配梁均勻傳遞到主體結(jié)構(gòu)上，以實(shí)現(xiàn)豎向荷載的均勻分布。豎向作動(dòng)器作用力大小均為198kN。

（2）側(cè)向靜止水土壓力通過(guò)在模型結(jié)構(gòu)預(yù)留孔洞并布置預(yù)應(yīng)力拉索來(lái)模擬。按計(jì)算得到由上到下五根預(yù)應(yīng)力拉索預(yù)設(shè)拉力分別為12kN、26kN、31kN、34kN、67kN。為避開(kāi)作動(dòng)器，并使得靜力荷載的施加更均勻，采用10根預(yù)應(yīng)力拉桿分為5組，每組兩根布置在側(cè)墻上。拉桿上安裝墊片，經(jīng)前期驗(yàn)算以確保不發(fā)生混凝土局部壓壞。

圖3 靜荷載Fig.3 Static load

2.2 側(cè)向位移加載模式

在Pushover試驗(yàn)中所施加的側(cè)向荷載分布必須能夠準(zhǔn)確反應(yīng)地震時(shí)結(jié)構(gòu)所受到的動(dòng)力作用。在傳統(tǒng)的地上結(jié)構(gòu)Pushover試驗(yàn)中，由于地上結(jié)構(gòu)主要受慣性力作用，因此可以假定結(jié)構(gòu)主要受一階振型控制，并由此設(shè)計(jì)基于力的側(cè)向加載模式。一般情況下使用單一作動(dòng)器模擬水平力，有時(shí)通過(guò)增加豎向分配梁的方式，調(diào)整作動(dòng)器的位置以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)樓層的剪力分配［20］。而地下結(jié)構(gòu)埋于土中，受到周?chē)翆拥募s束。以往研究表明［21-22］，地面與基巖間的峰值相對(duì)位移即地下結(jié)構(gòu)剪切變形是地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。早期日本學(xué)者Tatsumi［23］等在新型構(gòu)造形式的地下框架結(jié)構(gòu)往復(fù)靜力加載試驗(yàn)中引入了頂部最大加載位移的概念，一定程度上體現(xiàn)了水平地震作用下地下結(jié)構(gòu)以剪切變形為主這一思想。劉晶波［24］通過(guò)對(duì)地上結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計(jì)方法進(jìn)行改進(jìn)，考慮巖土中結(jié)構(gòu)受周?chē)鼗s束的特點(diǎn)，提出了地下結(jié)構(gòu)適應(yīng)于位移的抗震分析及設(shè)計(jì)方法，并以大開(kāi)車(chē)站［24］和北京地鐵5號(hào)線崇文門(mén)車(chē)站［25］為算例，通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證在三種水平荷載分布形式下推覆方法在地下結(jié)構(gòu)中的適用性。

Chen等［26］針對(duì)多層地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性動(dòng)力時(shí)程分析，發(fā)現(xiàn)多層地鐵車(chē)站在地震動(dòng)作用下，由于結(jié)構(gòu)整體剛度較大，其側(cè)墻在地震中各時(shí)刻及最大位移時(shí)，均呈現(xiàn)較為規(guī)律的倒三角變形模式。Chen等［1］進(jìn)一步針對(duì)該車(chē)站進(jìn)行大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，不論地震動(dòng)幅值大小以及是否為脈沖型地震波作用，車(chē)站側(cè)墻均保持較為規(guī)律的倒三角變形模式，如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)側(cè)墻變形模式［1］Fig.4 Deformation model of structure side wall[1]

綜合上述研究成果，試驗(yàn)擬采用倒三角位移加載模式。在試驗(yàn)過(guò)程中，全程控制施加在結(jié)構(gòu)上的側(cè)向推覆荷載并維持倒三角分布?？刂七^(guò)程由多點(diǎn)多作動(dòng)器協(xié)調(diào)加載實(shí)現(xiàn)。

2.3 加載制度

試驗(yàn)中，先對(duì)模型結(jié)構(gòu)施加豎向荷載及橫向拉索預(yù)應(yīng)力，以模擬豎向及側(cè)向靜止水土壓力。然后，對(duì)模型結(jié)構(gòu)施加側(cè)向位移以模擬附加地震作用。

試驗(yàn)預(yù)加載分兩級(jí)進(jìn)行，用于檢測(cè)儀表保證構(gòu)件接觸等。試驗(yàn)時(shí)，底部作動(dòng)器先以每級(jí)約200kN進(jìn)行加載，上、中作動(dòng)器根據(jù)位移傳感器反饋位移進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以保證結(jié)構(gòu)側(cè)向呈倒三角變形。當(dāng)加載到達(dá)預(yù)估結(jié)構(gòu)峰值承載力80%時(shí)，按照頂部每級(jí)增加5mm位移進(jìn)行加載，同樣協(xié)調(diào)調(diào)整3臺(tái)作動(dòng)器保證位移分布。

3 裂縫與塑性鉸發(fā)展

3.1 裂縫發(fā)展現(xiàn)象

按照前述加載制度，安裝在結(jié)構(gòu)左側(cè)的3臺(tái)伺服作動(dòng)器，逐漸單調(diào)加載，向右推進(jìn)，直至結(jié)構(gòu)破壞，無(wú)法繼續(xù)承擔(dān)外力。下面就試驗(yàn)過(guò)程中觀察到的3種典型狀態(tài)進(jìn)行描述。

首先，從開(kāi)始加載至總推力為214kN的加載過(guò)程中，結(jié)構(gòu)表面未觀察到可見(jiàn)裂縫，結(jié)構(gòu)處于彈性階段。當(dāng)總側(cè)向推力達(dá)到234kN、層間位移角為1/460時(shí)，觀察左側(cè)墻外側(cè)、右側(cè)墻內(nèi)側(cè)出現(xiàn)細(xì)裂縫，見(jiàn)圖5a和圖5b，以大量橫向裂縫為主；同時(shí)頂層、二層右側(cè)中柱中部出現(xiàn)豎向裂縫，見(jiàn)圖5c；底部中柱端部出現(xiàn)橫向裂縫，見(jiàn)圖5d。此外，側(cè)墻與頂板交界處有兩條豎向裂縫，側(cè)墻與二層底板交界處亦有細(xì)裂縫。此時(shí)標(biāo)志著結(jié)構(gòu)初步進(jìn)入塑性，部分混凝土受拉開(kāi)裂，右墻內(nèi)側(cè)產(chǎn)生首個(gè)塑性鉸，見(jiàn)圖5b。

圖5 模型結(jié)構(gòu)裂縫分布圖（層間位移角=1/460）Fig.5 Cracks distribution of model structure(story drift angle=1/460)

當(dāng)進(jìn)一步加載至428kN、即層間位移角為1/85時(shí)，試件裂縫明顯增多。裂縫發(fā)展主要集中在結(jié)構(gòu)下部。二層底板與側(cè)墻交界處出現(xiàn)貫通裂縫，如圖6a。側(cè)墻根部水平裂縫增多，原裂縫變寬，見(jiàn)圖6b。頂層右側(cè)中柱裂縫寬度增大。三層中柱根部出現(xiàn)橫向裂縫，見(jiàn)圖6c。底層中柱裂縫數(shù)量增加，原裂縫寬度增大，見(jiàn)圖6d。這一階段，結(jié)構(gòu)塑性進(jìn)一步發(fā)展，墻、板、柱多處鋼筋屈服而喪失進(jìn)一步承載能力，形成塑性鉸。相應(yīng)位置的變形激增，使得既有裂縫寬度增大乃至形成貫通縫。

圖6 模型結(jié)構(gòu)裂縫分布圖（層間位移角=1/85）Fig.6 Cracks distribution of model structure(story drift angle=1/85)

試驗(yàn)進(jìn)行至層間位移角等于1/52時(shí)，模型結(jié)構(gòu)承載力迅速下降，層間位移角最大達(dá)到1/49。除墻體上與每層樓板交界處出現(xiàn)大量裂縫外，二層底板右側(cè)與側(cè)墻交界加腋處出現(xiàn)貫通裂縫，見(jiàn)圖7a。底層左柱明顯破壞，產(chǎn)生大量斜裂縫，混凝土剝落，見(jiàn)圖7b。三層右柱同樣出現(xiàn)寬斜裂縫，見(jiàn)圖7c。圖7d為三層左柱斜裂縫及水平裂縫。該階段隨各處鋼筋屈服，形成大量塑性鉸而成為機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)整體喪失進(jìn)一步承載能力，各處混凝土隨變形增大出現(xiàn)破壞。至此認(rèn)為結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

結(jié)合試驗(yàn)的裂縫發(fā)展現(xiàn)象，模型結(jié)構(gòu)的破壞有以下特征：

（1）從整體結(jié)構(gòu)上看，下層破壞要比上層嚴(yán)重；破壞主要出現(xiàn)在構(gòu)件節(jié)點(diǎn)處，墻與柱的破壞程度大于板。

（2）從局部構(gòu)件上看，底層中柱破壞最嚴(yán)重，其破壞嚴(yán)重程度大于頂層及二層中柱；在水平推覆過(guò)程中，中柱端部首先出現(xiàn)水平裂縫，其后出現(xiàn)斜裂縫。側(cè)墻裂縫基本為水平，且墻體根部破壞嚴(yán)重。樓板破壞主要發(fā)生在與側(cè)墻交界處，即節(jié)點(diǎn)倒角處附近，主要為沿結(jié)構(gòu)厚度方向的貫通裂縫。

3.2 塑性鉸發(fā)展與分布

圖8展示了模型結(jié)構(gòu)前25個(gè)塑性鉸的形成順序。塑性出鉸現(xiàn)象，是指結(jié)構(gòu)變形發(fā)展過(guò)程中，構(gòu)件局部進(jìn)入塑性，隨著變形增加，構(gòu)件不再承擔(dān)附加外力，因而在彎矩基本維持不變的情況下，截面曲率出現(xiàn)激增。該現(xiàn)象發(fā)生的局部位置稱為塑性鉸。試驗(yàn)中，根據(jù)某一級(jí)加載中各處曲率（根據(jù)相應(yīng)應(yīng)變片數(shù)據(jù)換算）激增判定塑性鉸的產(chǎn)生。需要注意的是，試驗(yàn)中有部分應(yīng)變片貼合處恰好有裂縫通過(guò)。裂縫擴(kuò)張時(shí)數(shù)據(jù)異常突變，故無(wú)法采集該處材料的有效應(yīng)變數(shù)據(jù)，用以評(píng)估塑性鉸的產(chǎn)生與發(fā)展。這些異常點(diǎn)都標(biāo)識(shí)在圖8中。

圖8 塑性鉸發(fā)展順序圖Fig.8 Developmentsequencediagram ofplastic hinges

從圖8可以看出，塑性鉸首先出現(xiàn)在底層右側(cè)墻，隨后樓板與側(cè)墻及中柱交界處分別形成3個(gè)塑性鉸，其后大量集中形成于中柱及側(cè)墻。前25個(gè)塑性鉸中，板上塑性鉸共6個(gè)，邊墻上塑性鉸共9個(gè)，柱上塑性鉸共10個(gè)。由于應(yīng)變片數(shù)據(jù)異常點(diǎn)均發(fā)生在邊墻或中柱上，可以推斷墻柱中可能存在更多的塑性鉸。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄，層間位移角為1/422時(shí)，在右側(cè)墻處出現(xiàn)第一個(gè)塑性鉸。層間位移角為1/103、第20個(gè)塑性鉸出現(xiàn)時(shí)，結(jié)構(gòu)底層左右中柱端部全部出現(xiàn)塑性鉸。

4 Pushover曲線

圖9為推覆地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)得到的Pushover曲線，即底部剪力-頂部位移曲線。其中，頂部位移通過(guò)頂部位移計(jì)測(cè)得，底部剪力為3個(gè)伺服作動(dòng)器上傳感器所測(cè)得的力的總和。從Pushover曲線可以看到，地下結(jié)構(gòu)在推覆力作用下的狀態(tài)可以歸結(jié)為4個(gè)階段。

圖9 Pushover曲線Fig.9 Pushover curve

（1）完全線彈性階段。加載初始，結(jié)構(gòu)處于完全線彈性狀態(tài)。當(dāng)頂部位移為0.59mm時(shí)，右側(cè)墻底部混凝土受拉開(kāi)裂，結(jié)構(gòu)達(dá)到彈性極限點(diǎn)；

（2）非線性階段。由于混凝土開(kāi)裂，結(jié)構(gòu)剛度略有降低，Pushover曲線在此階段斜率略有減小。隨后，結(jié)構(gòu)右側(cè)墻底部出現(xiàn)大量裂縫，逐漸形成第一個(gè)塑性鉸。此時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度有明顯的變化，Pushover曲線斜率發(fā)生顯著的第2次下降。在側(cè)向推覆力持續(xù)作用下，結(jié)構(gòu)各構(gòu)件（側(cè)墻、樓板端）依次發(fā)生鋼筋屈服，形成塑性鉸，直至底層右側(cè)中柱上端產(chǎn)生第6個(gè)塑性鉸，此時(shí)，Pushover曲線達(dá)到轉(zhuǎn)折點(diǎn)，對(duì)應(yīng)頂部位移14.01mm，底部剪力417.96kN?？梢钥吹剑坏┲兄瞬克苄糟q形成，那么結(jié)構(gòu)基本上失去了進(jìn)一步承受附加側(cè)向水平推覆力的可能；

（3）結(jié)構(gòu)進(jìn)入第3階段后，塑性鉸數(shù)量和發(fā)生區(qū)域不斷拓展。由于鋼筋強(qiáng)度硬化，結(jié)構(gòu)承受側(cè)向推覆力仍略有提升，頂部側(cè)向位移持續(xù)增大，顯示了所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)具有較好的延性?？梢杂^察到結(jié)構(gòu)構(gòu)件上出現(xiàn)數(shù)量眾多的橫向裂縫，且裂縫較寬。在這一階段中，可以發(fā)現(xiàn)底層左柱、三層右柱已發(fā)生嚴(yán)重彎曲變形，喪失承載能力。隨位移的繼續(xù)增大，主要抗側(cè)向力構(gòu)件均發(fā)生混凝土壓碎現(xiàn)象，此時(shí)曲線到達(dá)峰值點(diǎn)，結(jié)構(gòu)達(dá)到承載力最大值；

（4）越過(guò)峰值點(diǎn)（頂部位移47.71mm，底部剪力461.76kN）后，車(chē)站結(jié)構(gòu)承載能力驟降，三層及底層中柱出現(xiàn)大量斜裂縫，發(fā)生受剪破壞，至此結(jié)構(gòu)破壞。

在Pushover曲線基礎(chǔ)上，根據(jù)通用屈服彎矩法（G.Y.M.M）［27］，可以幾何做圖得到有關(guān)本試驗(yàn)結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵點(diǎn)，如圖10所示。其中結(jié)構(gòu)等效屈服位移Δy為9.85mm（層間位移角1/267），對(duì)應(yīng)屈服荷載Py為309.41kN。承載力峰值對(duì)應(yīng)的位移Δmax為48.32mm（層間位移角為1/54），承載力峰值Pmax為456.53kN。定義極限荷載為最大荷載值下降85%時(shí)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)承載力，此時(shí)的結(jié)構(gòu)性能點(diǎn)為極限點(diǎn)。相應(yīng)的極限位移Δu為53.09mm（層間位移角1/50）。位移延性系數(shù)為結(jié)構(gòu)極限位移與屈服位移之比，常用來(lái)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)在動(dòng)力作用下的變形能力［28］。對(duì)于該模型結(jié)構(gòu)，延性系數(shù)為5.39，屬于延性較好的結(jié)構(gòu)。

圖10 Pushover曲線關(guān)鍵點(diǎn)Fig.10 Key points of pushover curve

5 破壞模式分析

5.1 結(jié)構(gòu)變形模式

結(jié)構(gòu)每層樓板的側(cè)向位移由左側(cè)作動(dòng)器測(cè)量得到（由于受作動(dòng)器尺寸限制，第2層樓板處沒(méi)有測(cè)量）。中柱端部8個(gè)位移值由豎向布置位移計(jì)測(cè)得絕對(duì)位移，右側(cè)4個(gè)位移值由水平布置的位移計(jì)測(cè)得絕對(duì)位移。圖11是模型結(jié)構(gòu)的最終變形圖，作為示意，將實(shí)際測(cè)量得到的變形放大了10倍。

圖11 模型結(jié)構(gòu)變形圖Fig.11 Deformation diagram of model structure

從圖11可以看出，由于側(cè)墻剛度很大，結(jié)構(gòu)兩側(cè)邊墻變形均保持倒三角形式。此外，在豎向軸壓和側(cè)向推力的聯(lián)合作用下，右側(cè)中柱受壓明顯，并且，由于頂層層高大，中柱長(zhǎng)度也大，首先發(fā)生破壞，頂板在該中柱處發(fā)生了凹陷。這與試驗(yàn)現(xiàn)象中，上層中柱裂縫首先出現(xiàn)在右側(cè)中柱，并在右側(cè)中柱大量分布的現(xiàn)象相符合，結(jié)構(gòu)的變形模式可以由此推斷。不難得出，在具有較大豎向地震動(dòng)作用時(shí)，大層高以及高軸壓的聯(lián)合作用將加劇多層車(chē)站結(jié)構(gòu)中柱的P-Δ效應(yīng)，使得具有類似結(jié)構(gòu)特征的地鐵車(chē)站更易于破壞。

5.2 結(jié)構(gòu)破壞模式

通過(guò)上述分析，此類地下結(jié)構(gòu)的破壞模式可以歸納為以下3點(diǎn)特征：

（1）模型地下結(jié)構(gòu)破壞呈混合鉸破壞模式，偏向于柱鉸模式。

地震作用下，地上框架結(jié)構(gòu)的典型破壞模式按塑性鉸出現(xiàn)的位置分為3種：梁鉸模型、柱鉸模式、混合鉸模式［29］。從圖8塑性鉸的發(fā)展趨勢(shì)中也可以看到，塑性鉸主要集中在側(cè)墻和中柱上，樓板端部?jī)H有少許。即屬于混合鉸破壞機(jī)制，但偏向于柱鉸機(jī)制（框架柱端出現(xiàn)塑性鉸而梁端仍處于彈性狀態(tài)）。

梁鉸模式指梁端先出現(xiàn)塑性鉸，柱端僅在破壞階段可能形成柱腳的塑性鉸。這種模式在地震過(guò)程中通過(guò)梁鉸的充分轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)耗散地震能量，使結(jié)構(gòu)具有較好的延性和耗能能力。一般情況下，地上結(jié)構(gòu)遵循“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)理念，其破壞為梁鉸模式［30］。而對(duì)于地下結(jié)構(gòu)，梁沿結(jié)構(gòu)縱向分布。當(dāng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)橫向抗震設(shè)計(jì)時(shí)，板的尺寸、剛度要遠(yuǎn)大于中柱，且為抵御水土壓力，地下連續(xù)墻及側(cè)墻的幾何尺寸和配筋量也相對(duì)于地上結(jié)構(gòu)偏大。模型結(jié)構(gòu)因此表現(xiàn)出不同于地上結(jié)構(gòu)的破壞模式。

（2）中柱是地下結(jié)構(gòu)抗震的薄弱環(huán)節(jié)。

由于受到周?chē)馏w的約束，地下結(jié)構(gòu)并不會(huì)發(fā)生側(cè)向倒塌，從神戶大開(kāi)車(chē)站的歷史震害資料與研究［31-33］來(lái)看，往往是中柱破壞從而造成車(chē)站結(jié)構(gòu)內(nèi)塌。從圖8、圖11可以看到，頂層右柱兩端出現(xiàn)塑性鉸后，隨著進(jìn)一步側(cè)推，結(jié)構(gòu)頂板中部下陷。在實(shí)際地震時(shí)，結(jié)構(gòu)還可能承受一定的豎向地震作用，增大中柱軸向壓力。中柱在側(cè)向剪力和軸向壓力的復(fù)合作用下，承載能力急劇下降，發(fā)生破壞，車(chē)站結(jié)構(gòu)也更易出現(xiàn)內(nèi)塌。因此，無(wú)論是單層地下結(jié)構(gòu)（大開(kāi)車(chē)站）還是本次試驗(yàn)的多層地鐵車(chē)站，中柱始終是地下結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，也是影響整體結(jié)構(gòu)破壞的關(guān)鍵構(gòu)件。

從塑性發(fā)展順序上看，最早出現(xiàn)兩端塑性鉸的構(gòu)件為底層左側(cè)中柱，其次是頂層右側(cè)中柱；從數(shù)量上看，8根中柱有4根兩端出現(xiàn)塑性鉸（另有3根由于應(yīng)變片數(shù)據(jù)異常不能判斷是否出現(xiàn)），8面?zhèn)葔τ?面發(fā)生兩端塑性鉸，單跨樓板則沒(méi)有兩端塑性鉸。從抗震角度，塑性鉸最理想的出現(xiàn)順序應(yīng)為：冗余構(gòu)件、次要構(gòu)件、普通構(gòu)件、重要構(gòu)件、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件［27］。典型地上結(jié)構(gòu)的推覆試驗(yàn)結(jié)果［30］可以看到，框架梁等構(gòu)件作為第一道防線率先產(chǎn)生塑性鉸，消耗地震能量并改變整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，保護(hù)了框架柱等重要構(gòu)件，避免結(jié)構(gòu)倒塌。而以本研究模型為代表的地下結(jié)構(gòu)，則是由于中柱的優(yōu)先破壞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體破壞。

（3）結(jié)構(gòu)下部比上部破壞嚴(yán)重。

試驗(yàn)現(xiàn)象與1995年阪神地震中大開(kāi)車(chē)站雙層站廳結(jié)構(gòu)的震害現(xiàn)象一致［34］。在該結(jié)構(gòu)中，下層中柱嚴(yán)重破壞而上層未發(fā)生破壞。試驗(yàn)結(jié)構(gòu)原型位于上海，是典型的軟土地質(zhì)條件，地下連續(xù)墻深入地表以下71m，且底板下有較多抗拔樁，因而結(jié)構(gòu)底板約束很強(qiáng)，不易發(fā)生位移。因此，在試驗(yàn)倒三角側(cè)向力的推覆下，多層地下車(chē)站結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)與地上結(jié)構(gòu)［30］相類似的破壞特征：底層剪力最大，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)下部破壞比上部嚴(yán)重。

另一個(gè)值得注意的現(xiàn)象是，由于結(jié)構(gòu)功能要求，原型結(jié)構(gòu)頂層層高大，中柱長(zhǎng)度明顯大于其他層中柱，導(dǎo)致該層抗側(cè)剛度明顯低于其他層。在上覆土重（以及豎向慣性力）及側(cè)向剪力的聯(lián)合作用下，中柱極易發(fā)生彎剪軸復(fù)合破壞。如圖8所示，頂層右柱上下端較早出現(xiàn)了塑性鉸，其中頂層右柱上端塑性鉸與之前出現(xiàn)的頂部塑性鉸形成區(qū)域性破壞，極易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部塌陷，形成類似于大開(kāi)車(chē)站M型向內(nèi)塌陷的破壞模式。從這一角度看，地上結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)所強(qiáng)調(diào)的保證均勻的結(jié)構(gòu)層間剛度也同樣適用于地下結(jié)構(gòu)。

5.3 中柱破壞模式

以往歷史震害表明，中柱作為地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，其破壞可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的垮塌。例如，阪神大震災(zāi)調(diào)査委員會(huì)在《阪神·淡路大震災(zāi)調(diào)査報(bào)告》中指出［33］，由于中柱變形性能不足或抗剪承載能力不足，較之于邊墻，先發(fā)生中柱的破壞；不管中柱是剪壞還是彎壞，總之由于中柱的破壞，從而使得其支撐的頂板塌陷，造成整體結(jié)構(gòu)的崩壞。

試驗(yàn)中可以觀察到，底層中柱首先出現(xiàn)橫向裂縫，表明其受彎，根部受拉出現(xiàn)混凝土開(kāi)裂；加載到層間位移角為1/85時(shí)候，橫向裂縫擴(kuò)展；試驗(yàn)最終出現(xiàn)斜裂縫以及混凝土剝落，是典型的受剪破壞。

圖12為底層左側(cè)中柱軸力-彎矩加載曲線以及彎矩-軸力承載能力曲線，圖中加載歷程曲線展示了從開(kāi)始到結(jié)構(gòu)破壞后一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)。

圖12 底層左側(cè)中柱承載能力曲線及加載曲線Fig.12 Loading capacity curve and loading curve of left column of the bottom floor

圖12 中，中柱加載歷程曲線與承載能力曲線的交點(diǎn)表示構(gòu)件發(fā)生受彎破壞。計(jì)算得到，此時(shí)剪力約為23.88kN，小于底層中柱抗剪承載力36.85kN。因而可以判斷該地鐵車(chē)站底層中柱先發(fā)生受彎破壞，與上文所述的試驗(yàn)現(xiàn)象一致。此外，值得注意的是，由于底層中柱軸壓比較大，中柱處于介于大偏心受拉破壞和小偏心受壓破壞的界限破壞狀態(tài)。所以該地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)面對(duì)豎向地震動(dòng)時(shí)，軸壓比的增大導(dǎo)致中柱延性減小脆性增大，對(duì)抗震不利。

6 結(jié)論

以上海市某多層地鐵車(chē)站為背景，提出了一種多層地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)推覆試驗(yàn)的合理試驗(yàn)方案，開(kāi)展了1：10地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)Pushover性能試驗(yàn)。對(duì)試驗(yàn)過(guò)程、現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的描述，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)地分析，歸納和總結(jié)該類地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)抗震性能主要特點(diǎn)如下：

（1）模型結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)混合鉸破壞模式，偏向于柱鉸模式。

（2）地下結(jié)構(gòu)Pushover性能曲線呈現(xiàn)較明顯的4個(gè)階段，即：線彈性階段、非線性階段、屈服及強(qiáng)化階段和破壞階段。在本次試驗(yàn)中，地下結(jié)構(gòu)模型達(dá)到屈服、最大承載力、極限位移時(shí)，其層間位移角分別為1/267，1/54，1/50。結(jié)構(gòu)延性系數(shù)為 5.39，延性較好。

（3）中柱是地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)，在側(cè)向推覆力和頂部豎向軸力的聯(lián)合作用下，底層中柱首先出現(xiàn)橫向細(xì)裂縫，裂縫不斷加寬并橫向貫通，最終出現(xiàn)斜裂縫，混凝土剝落，中柱彎剪軸復(fù)合作用下破壞。底層中柱破壞最嚴(yán)重，遠(yuǎn)大于頂層及二層中柱。