基于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的黃土場(chǎng)地具有地上結(jié)構(gòu)地鐵車站地震反應(yīng)特性分析

韓建平 張虎虎

（1.蘭州理工大學(xué)甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730050；2.蘭州理工大學(xué)西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心，蘭州730050）

0 引 言

近年來(lái)，隨著城市規(guī)模的快速發(fā)展及其交通需求的不斷增大，我國(guó)西部黃土地區(qū)地鐵工程建設(shè)發(fā)展迅速。截至2020年，西安市已開通地鐵線路5條，總里程達(dá)161.5 km，在建線路11條，遠(yuǎn)景規(guī)劃總里程達(dá)420 km；蘭州市已開通地鐵線路1條，總里程達(dá)26 km，在建線路1條，里程為9.4 km。由于黃土具有大孔隙和弱膠結(jié)等結(jié)構(gòu)特性，因此其表現(xiàn)出極高的地震易損性［1］。而地鐵車站作為生命線工程，在緊急狀況下，人流疏散困難，在地震下車站結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生倒塌破壞，所造成的人員傷亡將是十分慘重的，并且地鐵車站埋置于地下，震后修復(fù)難度大，代價(jià)高。但目前針對(duì)黃土這種特殊地質(zhì)條件下地下結(jié)構(gòu)抗震性能的研究成果相對(duì)較少［2-5］。因此開展黃土場(chǎng)地中地鐵車站結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特性研究迫在眉睫。

自1995年日本阪神地震中大開地鐵車站遭受嚴(yán)重破壞后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)特性及破壞機(jī)理和失效模式開展了廣泛而深入的研究，已形成了較為深刻的認(rèn)識(shí)［6-8］。地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)主要受控于周圍地基土的動(dòng)力特性［9-12］；地下結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理和失效模式是在強(qiáng)烈水平地震動(dòng)作用下，周圍土體發(fā)生過大剪切變形致使車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的層間位移，而車站結(jié)構(gòu)中柱抗剪強(qiáng)度和變形能力不足，最終發(fā)生剪切破壞和彎曲破壞［13-16］。然而，目前針對(duì)具有地上結(jié)構(gòu)的地鐵車站地震反應(yīng)特性的研究幾乎空白。

因此，本文以蘭州黃土場(chǎng)地中某具有兩層地上結(jié)構(gòu)的地鐵車站為原型，基于縮尺模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析模型體系各階段的基頻、加速度和水平位移反應(yīng)以及模型車站的應(yīng)變和側(cè)墻處的動(dòng)土壓力反應(yīng)，目的是探索黃土場(chǎng)地條件下具有地上結(jié)構(gòu)的地鐵車站地震反應(yīng)規(guī)律，揭示其地震損傷和災(zāi)變機(jī)制。

1 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)采用蘭州地鐵某站臺(tái)施工基坑的黃土為模型地基土，在蘭州理工大學(xué)地震模擬振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行了幾何比例為1∶30的具有兩層地上結(jié)構(gòu)的地鐵車站模型試驗(yàn)。模型土箱采用疊層剪切土箱，內(nèi)部?jī)舫叽鐬?.95 m×1.95 m×1.9 m。模型車站采用由微粒混凝土澆筑的地下一層、地上兩層的三層三跨矩形斷面結(jié)構(gòu)。模型試驗(yàn)的傳感器布置如圖1所示，試驗(yàn)方案詳見文獻(xiàn)［5］。

圖1 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)傳感器布設(shè)Fig.1 Arrangement plan of sensors for shaking table test

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)加載工況如表1所示。

表1 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)加載工況Table 1 Loading cases for shaking table test

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 模型體系基頻

計(jì)算模型地基土中A8、A12測(cè)點(diǎn)，地下結(jié)構(gòu)A13、A14測(cè)點(diǎn)及地上結(jié)構(gòu)A16測(cè)點(diǎn)相對(duì)于模型土箱底部A18測(cè)點(diǎn)的互相關(guān)函數(shù)，利用時(shí)域ITD法，識(shí)別各次白噪聲工況下模型體系的基頻如表2所示。

由表2可知，在前三次白噪聲掃頻下相同深度處的地基土和地下結(jié)構(gòu)基頻基本一致。這一方面說明在較小地震動(dòng)作用下，地下結(jié)構(gòu)與其一定水平距離處的地基土剛度差異較小，土體密實(shí)度未發(fā)生明顯變化，地下結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯損傷；另一方面表明地基土與地下結(jié)構(gòu)始終緊密接觸協(xié)同振動(dòng)。第四次掃頻時(shí)地下結(jié)構(gòu)-土體系基頻驟增。這可能是由于在較大地震動(dòng)作用下，土-地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用強(qiáng)烈，以至于兩者之間已產(chǎn)生間隙，當(dāng)白噪聲掃頻時(shí)，土與地下結(jié)構(gòu)瞬時(shí)碰撞產(chǎn)生散射和反射效應(yīng)，致使土與地下結(jié)構(gòu)體系基頻均驟增。四次白噪聲掃頻得到的地上結(jié)構(gòu)基頻不斷降低，說明在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)過程中地上結(jié)構(gòu)損傷不斷累積，剛度逐漸降低。

表2 不同測(cè)點(diǎn)加速度計(jì)獲得的基頻Table 2 Fundamental frequencies calculated by different accelerometers Hz

2.2 模型體系加速度反應(yīng)

以A3加速度傳感器所測(cè)峰值加速度為基準(zhǔn)值，利用土體深度方向布設(shè)的A6、A8和A12加速度傳感器所測(cè)的峰值加速度計(jì)算地基土加速度放大系數(shù)，如圖2所示。在不同地震動(dòng)輸入下，地基土加速度放大系數(shù)自下而上呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律。這可能是由于地基土分層填筑時(shí)，在0.4～0.6 m深度范圍夯實(shí)度比其他深度范圍較小所致。從圖2（a）可知，當(dāng)?shù)卣饎?dòng)峰值加速度增大時(shí)，深層地基土（0.4～0.6 m深度范圍）的加速度放大系數(shù)變化幅度較小，淺層地基土（0～0.2 m深度范圍）的加速度放大系數(shù)變化幅度較大，在地表處尤為顯著，且呈現(xiàn)出不斷減小的規(guī)律。這進(jìn)一步表明試驗(yàn)過程中深層地基土的密實(shí)度未發(fā)生明顯變化，淺層地基土中由于土-結(jié)構(gòu)相互作用的存在，對(duì)地震動(dòng)能量具有較大的消耗作用，也即表明車站結(jié)構(gòu)的存在對(duì)地震動(dòng)在地基土中的傳播具有一定影響。從圖2（b）和圖2（c）可知，在不同地震動(dòng)輸入下，淺層地基土中的加速度放大系數(shù)為El Centro地震動(dòng)記錄作用下最大，蘭州人工波作用下次之，Taft地震動(dòng)記錄作用下最小，在地表處尤為顯著。在深層地基土中，不同地震動(dòng)輸入下的土層加速度放大系數(shù)差異較小。上述結(jié)果表明，在淺層地基土中，地基土加速度放大系數(shù)對(duì)地震動(dòng)頻譜特性比較敏感；而在深層地基土中，地震動(dòng)頻譜特性對(duì)土層加速度放大系數(shù)的影響較小。

圖2 模型地基土不同深度處的加速度放大系數(shù)Fig.2 Acceleration amplification factors at different depths of the model foundation soil

圖3（a）給出了蘭州人工波輸入下車站結(jié)構(gòu)不同高度處的加速度放大系數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)：隨峰值加速度的增加，結(jié)構(gòu)不同高度處的加速度放大系數(shù)不斷增大。從圖3（b）和圖3（c）可以看出，在不同地震動(dòng)輸入下，地上結(jié)構(gòu)同一高度處的加速度放大系數(shù)之間無(wú)明顯規(guī)律。這表明地上結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)與地震動(dòng)特性無(wú)明顯關(guān)系。同時(shí)，不同強(qiáng)度地震動(dòng)輸入下模型車站結(jié)構(gòu)的加速度放大系數(shù)發(fā)展規(guī)律顯著不同，這是由于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中損傷累積的存在，在0.6g地震動(dòng)作用下，模型結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的非線性反應(yīng)。對(duì)比圖2和圖3中地下結(jié)構(gòu)位置處的地基土加速度放大系數(shù)與地下結(jié)構(gòu)上的加速度放大系數(shù)，可知地下結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)主要受周圍地基土動(dòng)力反應(yīng)的影響，故其加速度放大系數(shù)對(duì)地震頻譜特性有一定的敏感性。

圖3 模型車站結(jié)構(gòu)不同高度處的加速度放大系數(shù)Fig.3 Acceleration amplification factors at different heights of the model substation structure

2.3 模型體系水平位移反應(yīng)

由于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中模型地基土及地下結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)不易直接測(cè)量，故采用將加速度二次積分的方法求得相應(yīng)位置處的水平位移反應(yīng)。圖4分別對(duì)0.1g和0.6gEl Centro地震動(dòng)記錄作用下地下結(jié)構(gòu)與同深度地基土的水平位移反應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比，整體而言，同一深度處地基土與地下結(jié)構(gòu)的水平位移大小相等、方向相反，且不同深度處兩者的水平位移分別相等。這一方面表明，地下結(jié)構(gòu)與其一定距離處地基土之間的剛度無(wú)明顯差異，且該距離處地基土始終處于彈性狀態(tài)；另一方面說明，在土-結(jié)構(gòu)相互作用過程中，地基土與地下結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向相反，地基土對(duì)地下結(jié)構(gòu)的變形起到“主動(dòng)”約束和限制作用，對(duì)地下結(jié)構(gòu)抗震具有一定作用。

圖4 不同強(qiáng)度地震動(dòng)作用下模型結(jié)構(gòu)與模型地基的水平位移時(shí)程曲線Fig.4 Horizontal displacement time-histories of model structure and foundation under different intensity ground motions

2.4 模型結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)變反應(yīng)

不同地震動(dòng)作用下車站結(jié)構(gòu)不同部位的峰值拉應(yīng)變分布如圖5所示（注：“0”表示應(yīng)變計(jì)無(wú)信號(hào)）。

從圖5可以看出：隨地震動(dòng)峰值加速度的增加，結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)處的峰值拉應(yīng)變逐漸增大。在同一工況下，地下結(jié)構(gòu)的峰值拉應(yīng)變遠(yuǎn)小于地上結(jié)構(gòu)的峰值拉應(yīng)變，這是由于地下結(jié)構(gòu)受周圍土體的約束作用，在地震動(dòng)作用下的變形遠(yuǎn)小于地上結(jié)構(gòu)。

圖5 不同地震動(dòng)作用下車站結(jié)構(gòu)峰值拉應(yīng)變分布圖（單位：10-6）Fig.5 Peak tensile strain in structure under different ground motions（unit：10-6）

模型結(jié)構(gòu)地上第二層中柱柱頂?shù)姆逯道瓚?yīng)變始終大于該層中柱柱底的峰值拉應(yīng)變，地上第一層中柱柱頂?shù)姆逯道瓚?yīng)變始終小于該層中柱柱底的峰值拉應(yīng)變。模型結(jié)構(gòu)地上第二層的頂板截面剛度顯著大于該層底板的，在地震動(dòng)作用下，當(dāng)頂板與底板之間發(fā)生剪切變形時(shí)，中柱頂部與頂板連接處的附加彎矩較大，因此模型結(jié)構(gòu)地上第二層中柱頂部峰值拉應(yīng)變大于該層中柱底部的。在模型結(jié)構(gòu)地上第一層，一方面，由于底板截面剛度顯著大于頂板的，中柱底部與底板連接處的附加彎矩較大；另一方面，模型結(jié)構(gòu)地上第一層底部位于車站結(jié)構(gòu)地上地下交界處，模型結(jié)構(gòu)在此處剛度突變，在水平地震動(dòng)作用下，受土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用和上部結(jié)構(gòu)慣性力耦合作用，承受較大且復(fù)雜的剪切和彎曲等作用，極易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。故模型結(jié)構(gòu)地上第一層中柱柱底的峰值拉應(yīng)變始終大于該層中柱柱頂?shù)模沂堑罔F車站結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位。

在不同強(qiáng)度地震動(dòng)作用下，除個(gè)別工況外，模型結(jié)構(gòu)地上第二層側(cè)墻頂部的峰值拉應(yīng)變始終大于該層側(cè)墻底部的。輸入地震動(dòng)峰值為0.1g和0.3g時(shí)，模型結(jié)構(gòu)地上第一層側(cè)墻頂部和底部的峰值拉應(yīng)變差異較小，而當(dāng)輸入地震動(dòng)峰值為0.6g時(shí)，模型結(jié)構(gòu)地上第一層側(cè)墻底部的峰值拉應(yīng)變顯著大于該層側(cè)墻頂部的，表明該層側(cè)墻底部發(fā)生了嚴(yán)重的局部損壞。

在相同強(qiáng)度的地震動(dòng)作用下，模型結(jié)構(gòu)地上第二層底板靠近中柱處的峰值拉應(yīng)變始終大于該層底板靠近中柱處的。隨地震動(dòng)強(qiáng)度的增大，模型結(jié)構(gòu)地上第一層靠近側(cè)墻處的峰值拉應(yīng)變變化并不明顯，而模型結(jié)構(gòu)地上第二層頂板和該層底板靠近側(cè)墻處的峰值拉應(yīng)變均表現(xiàn)為先增大后減小，且底板處的峰值拉應(yīng)變始終大于頂板處的。這可能是由于在地震動(dòng)作用下，結(jié)構(gòu)局部區(qū)域損傷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度不連續(xù)，進(jìn)而影響了結(jié)構(gòu)的整體受力性能。

2.5 動(dòng)土壓力反應(yīng)

表3給出了不同地震動(dòng)作用下模型結(jié)構(gòu)不同高度處的側(cè)墻動(dòng)土壓力增量?？梢园l(fā)現(xiàn)，在峰值加速度為0.1g和0.3g的不同地震動(dòng)作用下，模型結(jié)構(gòu)側(cè)墻動(dòng)土壓力增量隨埋深增大而增大，側(cè)墻底部測(cè)點(diǎn)P3動(dòng)土壓力增量增大效果最為顯著。當(dāng)輸入地震動(dòng)峰值為0.6g時(shí)，整體而言，側(cè)墻頂部測(cè)點(diǎn)P1動(dòng)土壓力增量遠(yuǎn)大于側(cè)墻中部和底部測(cè)點(diǎn)的。

表3 不同地震動(dòng)作用下地下結(jié)構(gòu)側(cè)墻動(dòng)土壓力增量Table 3 Soil pressure increment at different heights of the model structure under different ground motion

圖6分別繪制了峰值加速度為0.1g和0.6g的蘭州人工波作用下模型結(jié)構(gòu)側(cè)墻處測(cè)點(diǎn)P1、P2和P3的動(dòng)土壓力時(shí)程曲線。由圖6（a）可知：在0.1g地震動(dòng)作用下，土體處于彈性變形狀態(tài)，且P1和P2測(cè)點(diǎn)的初始土壓力大于零，這是因?yàn)樵谡駝?dòng)臺(tái)試驗(yàn)前，通過夯擊制作模型地基時(shí)，土和結(jié)構(gòu)緊密接觸，產(chǎn)生一定大小的圍壓；在試驗(yàn)過程中P1和P2測(cè)點(diǎn)動(dòng)土壓力始終大于零，表明土體與地下結(jié)構(gòu)始終緊密接觸，圍壓效果始終存在。P3測(cè)點(diǎn)初始土壓力雖為零，但也始終與地下結(jié)構(gòu)緊密接觸，協(xié)同振動(dòng)。由圖6（b）可知：在0.6g地震動(dòng)作用下，由于P3測(cè)點(diǎn)埋深較大，土-結(jié)構(gòu)相互作用較小，土體仍具有較大的彈性變形性能，能夠與地下結(jié)構(gòu)協(xié)同運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)為動(dòng)土壓力時(shí)程曲線與坐標(biāo)橫軸接觸點(diǎn)密集，且橫軸兩側(cè)的曲線較為飽滿。P2測(cè)點(diǎn)的動(dòng)土壓力發(fā)展大致經(jīng)歷三個(gè)階段。第一階段，土體與地下結(jié)構(gòu)緊密接觸，協(xié)同振動(dòng)，圍壓始終大于零。第二階段，地震動(dòng)能量不斷累積，土與地下結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)振動(dòng)，發(fā)生滑移，地下結(jié)構(gòu)與土體相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，接觸面處的動(dòng)土壓力增加；而地下結(jié)構(gòu)與土體背向運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于土體彈性變形能力下降，導(dǎo)致接觸面處動(dòng)土壓力急劇降低，直至為零。第三階段，地震動(dòng)加載即將結(jié)束時(shí)，土體與地下結(jié)構(gòu)均復(fù)位，兩者的接觸狀態(tài)趨于穩(wěn)定，動(dòng)土壓力又維持在一定的數(shù)值。P1測(cè)點(diǎn)的土體在加載前已完全進(jìn)入塑性狀態(tài)，圍壓為零，在地震動(dòng)加載時(shí)，土與結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重滑移，地下結(jié)構(gòu)與土體背向運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)完全脫開現(xiàn)象，且土體始終無(wú)法完全復(fù)位，因此動(dòng)土壓力時(shí)程曲線表現(xiàn)出瞬降瞬增的單側(cè)離散峰值現(xiàn)象。

圖6 不同強(qiáng)度地震動(dòng)作用下側(cè)墻動(dòng)土壓力時(shí)程曲線Fig.6 Dynamic soil pressure time-histories of side wall under different ground motions

3 結(jié) 論

本文基于黃土場(chǎng)地具有地上結(jié)構(gòu)的地鐵車站考慮土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過對(duì)模型體系基頻、加速度和水平位移反應(yīng)以及模型車站的應(yīng)變和側(cè)墻處的動(dòng)土壓力反應(yīng)的分析，得到以下主要結(jié)論：

（1）淺層地基土及埋置于其中的模型車站地下結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)對(duì)地震動(dòng)頻譜特性具有較高的敏感性，而深層地基土及模型車站地上結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)對(duì)地震動(dòng)頻譜特性敏感性較低。

（2）水平位移反應(yīng)表明，在土-結(jié)構(gòu)相互作用過程中，地基土與地下結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向相反，地基土對(duì)地下結(jié)構(gòu)的變形起到“主動(dòng)”約束和限制作用。

（3）應(yīng)變反應(yīng)表明，由于土體的約束作用，地下結(jié)構(gòu)的應(yīng)變遠(yuǎn)小于地上結(jié)構(gòu)的。模型結(jié)構(gòu)地上第一層中柱底部是地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震最薄弱部位，因此在黃土地區(qū)具地上結(jié)構(gòu)的地鐵車站抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)此部位的延性，進(jìn)而提高其抗震性能。

（4）當(dāng)?shù)卣饎?dòng)峰值加速度較小時(shí)，模型結(jié)構(gòu)側(cè)墻動(dòng)土壓力增量隨埋深增大而增大；當(dāng)?shù)卣饎?dòng)峰值加速度較大時(shí)，不同高度處的土體變形性能差異較大，地表側(cè)墻處動(dòng)土壓力增量遠(yuǎn)大于埋深較大側(cè)墻處的動(dòng)土壓力增量。