上蓋地鐵車站結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)比研究

韓學(xué)川，陶連金，張 宇，賈志波

(北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

城市軌道交通地上地下空間綜合開發(fā)是解決城市土地資源緊缺，推動(dòng)土地復(fù)合利用，實(shí)現(xiàn)交通場(chǎng)站多空間、多層次的新型開發(fā)模型。為了確保軌道交通綜合開發(fā)項(xiàng)目的順利實(shí)施，加強(qiáng)地上地下空間、軌道交通場(chǎng)站與周邊用地的統(tǒng)籌規(guī)劃和協(xié)同建設(shè)，各地相繼出臺(tái)了相關(guān)政策文件，如北京市出臺(tái)了《關(guān)于加強(qiáng)軌道交通與周邊用地一體化規(guī)劃建設(shè)的意見》，上海印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)本市軌道交通場(chǎng)站及周邊土地綜合開發(fā)利用的實(shí)施意見》等。鑒于地鐵上蓋結(jié)構(gòu)加強(qiáng)了地下地鐵車站與周邊用地一體化規(guī)劃及場(chǎng)站用地的綜合利用，提高了軌道交通樞紐的綜合開發(fā)利用水平，使城市資源得到了合理的利用，因此，地鐵上蓋結(jié)構(gòu)可能會(huì)成為未來軌道交通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要趨勢(shì)之一。

現(xiàn)階段關(guān)于地下結(jié)構(gòu)-土-鄰近地上結(jié)構(gòu)相互作用體系的研究較多[1-4]，并取得了很多有價(jià)值的研究成果。李延濤等[5]以地表建筑結(jié)構(gòu)和地下上下平行隧道體系為背景，進(jìn)行了軟土場(chǎng)地中隧道-土-相鄰上部結(jié)構(gòu)體系振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)；王淮峰等[6]利用ANSYS有限元程序建立了一系列典型高層框架結(jié)構(gòu)及地下車站的二維平面應(yīng)變模型，研究了地上結(jié)構(gòu)對(duì)地下結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力響應(yīng)的影響參數(shù)；李方杰等[7]基于有限元法，針對(duì)不同位置的地上結(jié)構(gòu)對(duì)地下地鐵車站結(jié)構(gòu)的地震影響規(guī)律進(jìn)行了研究。Pitilakis等[8]針對(duì)地下圓形隧道地震響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了研究，分別考慮了單個(gè)和多個(gè)相鄰地表結(jié)構(gòu)的影響;王國(guó)波等[9-10]建立了隧道-土體-地表鄰近框架結(jié)構(gòu)相互作用體系數(shù)值模型，系統(tǒng)研究了隧道的直徑和埋深、土體的分層特性、框架結(jié)構(gòu)的高寬比、輸入地震波特性等對(duì)體系地震響應(yīng)的影響規(guī)律。Choi等[11]、Huo等[12-13]和Boulanger等[14]通過地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的對(duì)比總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。

鑒于地鐵上蓋結(jié)構(gòu)也是近幾年才大量出現(xiàn)，研究報(bào)道相對(duì)甚少，上蓋地鐵車站結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)特性和破壞機(jī)理尚不明確，缺少針對(duì)地鐵上蓋結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)指導(dǎo)規(guī)范。為了深入研究上蓋地鐵車站結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)特性和破壞機(jī)理，以某上蓋地鐵車站為工程背景，開展了系列地鐵上蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，分別從加速度和應(yīng)變兩方面對(duì)上蓋地鐵車站結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行研究，通過試驗(yàn)揭示了上蓋地鐵車站結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理，以期為相似工程的抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 計(jì)算模型和參數(shù)

為了研究上蓋地鐵車站結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)規(guī)律和破壞機(jī)理，根據(jù)上蓋建筑與地鐵車站的銜接形式，將地鐵上蓋結(jié)構(gòu)分為地鐵上蓋一體化結(jié)構(gòu)(地鐵車站與上蓋結(jié)構(gòu)一體化連接)和地鐵上蓋密貼結(jié)構(gòu)(地鐵車站與上蓋結(jié)構(gòu)屬于獨(dú)立結(jié)構(gòu)且密貼接觸)，分別設(shè)計(jì)了土-地鐵上蓋一體化結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)(YT工況)和土-地鐵上蓋密貼結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)(MT工況)。

1.1 相似比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)依托北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室模擬地震振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)開展。振動(dòng)臺(tái)的各項(xiàng)性能參數(shù)為：臺(tái)面尺寸：3 m×3 m；最大承載質(zhì)量：10 t；最大加載速度(水平單向)：±1g，工作頻率范圍為0.1～50 Hz；臺(tái)面最大位移±127 mm。根據(jù)模型邊界效應(yīng)條件和振動(dòng)臺(tái)尺寸，試驗(yàn)選取模型的幾何相似比為1/40，基于Buckingham π定理開展相似關(guān)系設(shè)計(jì)[15]，采用重力失真模型，從動(dòng)力量綱分析入手，選擇長(zhǎng)度、彈性模量、加速度為模型結(jié)構(gòu)的基本物理量，選擇密度、加速度、剪切波速為模型地基的基本物理量，依次推導(dǎo)出其他物理量滿足的相似關(guān)系，如表1所示。

表1 上蓋地鐵車站結(jié)構(gòu)-模型地基體系相似關(guān)系

1.2 模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)原型地鐵上蓋結(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，對(duì)原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，最終確定結(jié)構(gòu)模型采用抗壓強(qiáng)度為7.1 MPa，彈性模量為6.9 GPa，泊松比為0.16的微粒混凝土制作。根據(jù)強(qiáng)度相似比，試件的配筋率應(yīng)保持不變，模型構(gòu)件中主要采用直徑為Φ0.7～Φ1.2 mm的鍍鋅鋼絲(箍筋直徑為Φ0.7 mm，中柱受力鋼筋直徑為Φ1.2 mm)，側(cè)墻和樓板的分布鋼筋采用直徑為Φ1.0 mm，網(wǎng)格為 20 mm×20 mm的鋼絲網(wǎng)。模型結(jié)構(gòu)尺寸及斷面形狀，如圖1所示。由于地鐵上蓋結(jié)構(gòu)模型尺寸較小，無法實(shí)現(xiàn)一次性澆筑完成，因此，模型結(jié)構(gòu)按照構(gòu)件類型階段性澆筑完成。地鐵上蓋結(jié)構(gòu)模型的澆筑順序按照地鐵車站底板、車站側(cè)墻、車站中板、車站頂板和中柱、地下室側(cè)墻、地下室中板、地下室頂板、地下室頂板和中柱以及上蓋框架結(jié)構(gòu)依次分層澆筑，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。

圖1 模型結(jié)構(gòu)尺寸及斷面形狀(mm)

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

1.3 模型土制作

模型地基采用均一土制備，取自北京軌道交通新機(jī)場(chǎng)線草橋站施工的基坑中，采用分層壓實(shí)法制備模型土，通過吊裝漏斗將曬干、篩選后的粉細(xì)砂均勻的鋪灑在模型箱內(nèi)，主要控制模型土的密實(shí)度，并對(duì)模型土取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，模型土材料參數(shù)如表2所示。

表2 模型土參數(shù)

1.4 模型土箱

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)采用的模型箱是由課題組自主研發(fā)設(shè)計(jì)并經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)后的模擬阻尼邊界層狀剪切模型箱，如圖3所示。層狀剪切模型箱長(zhǎng)×寬×高=2.5 m×1.4 m×1.38 m，采用矩形鋼管框架豎向疊加連接，鋼管架之間采用四組直線輥針排，使模型箱更易于發(fā)生自由剪切變形運(yùn)動(dòng)，通過鋪設(shè)特制橡膠墊有效模擬黏彈性邊界吸收地震波，模型箱的有效性驗(yàn)證試驗(yàn)詳見文獻(xiàn)[16-17]。

圖3 振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)與層狀剪切模型箱

1.5 傳感器布置

地鐵上蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括上蓋地鐵車站結(jié)構(gòu)模型和地基土的加速度響應(yīng)規(guī)律、土-上蓋地鐵車站結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用、上蓋地鐵車站結(jié)構(gòu)的應(yīng)變響應(yīng)規(guī)律以及模型地基土的側(cè)向變形規(guī)律等。試驗(yàn)中采用的傳感器有加速度傳感器A、光纖應(yīng)變計(jì)S、土壓力計(jì)P、激光位移計(jì)J。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中模型地基和結(jié)構(gòu)中傳感器布置，如圖4和圖5所示。

圖4 上蓋地鐵車站工況模型地基傳感器布置圖(mm)

圖5 上蓋地鐵車站傳感器布置

1.6 地震波選擇及加載工況

考慮地震波類型對(duì)上蓋地鐵車站結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，選取八角什邡波和名山波兩種具有不同頻譜特性的地震波。其中八角什邡波屬于近場(chǎng)地震動(dòng)，頻帶相對(duì)較窄；名山波屬于中場(chǎng)地震動(dòng)，頻帶相對(duì)較寬。地震波加速度時(shí)程曲線，如圖6所示。

圖6 地震波時(shí)程曲線

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)，截取地震波較為強(qiáng)烈的前80 s作為輸入地震波；每次峰值加速度改變時(shí)均進(jìn)行一次白噪聲掃描，以確定模型體系的自振特性的變化。采取階梯逐級(jí)加載的方式加載，將輸入地震波峰值加速度分別調(diào)整為0.1g，0.3g，0.5g，0.7g和1.0g，地震波激振前后輸入0.05g的白噪聲，量測(cè)模型自振頻率等動(dòng)力特性的變化。根據(jù)1.1節(jié)相似比設(shè)計(jì)，除白噪聲外，輸入地震波持續(xù)時(shí)間按1/2倍進(jìn)行壓縮。

2 地鐵上蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果分析

鑒于篇幅有限，分別從加速度和應(yīng)變兩方面對(duì)上蓋地鐵車站結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行研究，并將兩種地鐵上蓋結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 模型土體加速度反應(yīng)分析

地鐵上蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，模型結(jié)構(gòu)的存在必然會(huì)影響地震波在模型土內(nèi)的傳播規(guī)律，地震波的幅值、頻率和波形都會(huì)發(fā)生一定變化。在上蓋地鐵車站結(jié)構(gòu)一側(cè)模型土體內(nèi)部沿埋深自上而下布置加速度傳感器JA7、JA8、JA9、JA10和JA11，在模型土箱底部布置加速度傳感器JA16，將其監(jiān)測(cè)結(jié)果作為振動(dòng)臺(tái)實(shí)際輸入加速度結(jié)果。為了比較不同試驗(yàn)工況下，模型土體的加速度變化情況，名山波作用下模型土體內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度峰值變化曲線，如圖7所示。模型土相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度放大系數(shù)對(duì)比圖，如圖8所示。定義各監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度峰值與振動(dòng)臺(tái)面監(jiān)測(cè)點(diǎn)JA16加速度峰值的比值為該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度放大系數(shù)。

圖7 模型土各監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度峰值

從圖7和圖8可知，兩種試驗(yàn)工況下，模型土體相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度峰值和放大系數(shù)沿埋深的變化規(guī)律相同，同一位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度峰值隨輸入地震強(qiáng)度的增加逐漸增大，而加速度放大系數(shù)則逐漸減小。其中，當(dāng)?shù)卣饛?qiáng)度較小(0.1g，0.3g)時(shí)，兩種試驗(yàn)工況模型土體內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度峰值及加速度放大系數(shù)沿埋深的減小逐漸增大，加速度放大系數(shù)大于1，YT工況監(jiān)測(cè)點(diǎn)JA7、JA8的加速度放大系數(shù)大于MT工況，其余則較小，說明上蓋結(jié)構(gòu)與地鐵車站的連接方式(一體與密貼)對(duì)周圍土層地震波的傳播過程產(chǎn)生了顯著影響；當(dāng)輸入地震強(qiáng)度較大(0.3g以上)時(shí)，兩種試驗(yàn)工況模型土體內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度峰值及放大系數(shù)呈先減小后增大的趨勢(shì)，加速度放大系數(shù)小于1的監(jiān)測(cè)點(diǎn)逐漸增多，YT工況監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度放大系數(shù)均小于MT工況，同時(shí)，YT工況與MT工況模型土最小加速度峰值出現(xiàn)位置并不相同，YT工況最小加速度峰值出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)JA9(車站結(jié)構(gòu)底板)位置，而MT工況出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)JA8(車站結(jié)構(gòu)頂板)位置，這是因?yàn)楫?dāng)輸入地震強(qiáng)度較小時(shí)，模型土體處于彈性工作狀態(tài)，地震波由底部向上傳播過程中具有顯著的放大作用，而隨著輸入地震強(qiáng)度的逐級(jí)增加，模型土體由彈性工作狀態(tài)進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)，土體更加密實(shí)，土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用明顯，YT工況模型結(jié)構(gòu)底部位置損傷相對(duì)嚴(yán)重，靠近模型結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)A9的非線性現(xiàn)象愈加凸出，加速度放大效果減弱，而MT工況模型車站與上蓋結(jié)構(gòu)采用獨(dú)立澆筑，結(jié)構(gòu)體系的整體性較差，“結(jié)構(gòu)接觸縫”絕緣了部分地震能量，從而減小了上蓋結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，同時(shí)也降低了上蓋結(jié)構(gòu)對(duì)地鐵車站的影響。

圖8 不同地震強(qiáng)度模型土監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度放大系數(shù)對(duì)比圖

不同試驗(yàn)工況下模型土體監(jiān)測(cè)點(diǎn)JA1、JA2、JA3的加速度時(shí)程曲線和傅里葉譜圖，如圖9所示。其中，JA1位于模型結(jié)構(gòu)正上方接近地表位置，JA2和JA3分別位于模型結(jié)構(gòu)正下方，與監(jiān)測(cè)點(diǎn)JA1處于同一豎向位置。通過對(duì)比分析YT工況和MT工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)JA1、JA2、JA3的加速度時(shí)程曲線和傅里葉譜分布規(guī)律，可以更好的說明YT工況與MT工況下模型結(jié)構(gòu)對(duì)地震波傳播過程影響的差異。

從圖9可知，不同試驗(yàn)工況下，YT工況與MT工況車站結(jié)構(gòu)相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線和傅氏譜曲線基本相同，加速度峰值均出現(xiàn)在同一時(shí)刻；相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的卓越頻率基本一致，底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)JA3的頻譜成分相對(duì)豐富，隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋深的減小，主頻范圍均表現(xiàn)為高頻向低頻轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，存在高頻濾波的現(xiàn)象。YT工況與MT工況地震波加速度放大系數(shù)均表現(xiàn)為隨輸入地震強(qiáng)度的增加逐漸減小，其中，名山波作用時(shí)，YT工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度放大系數(shù)分別為1.26，0.88，0.9，MT工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度放大系數(shù)分別為1.37，0.99，0.88；什邡波作用時(shí)，YT工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度放大系數(shù)分別為1.12，1.01，0.91，MT工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度放大系數(shù)分別為1.47，1.12，0.94。由YT工況和MT工況下相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度放大系數(shù)可以看出，不同地震波作用下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度放大系數(shù)表現(xiàn)為什邡波大于名山波，這是因?yàn)槭糙ǖ念l譜成分與模型結(jié)構(gòu)-地基體系的基頻相近，體系的地震反應(yīng)得到加強(qiáng)，故加速度放大效果更加顯著。

圖9 模型土體各測(cè)點(diǎn)加速度峰值及傅氏譜

2.2 模型結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)分析

MT工況和YT工況下，模型車站結(jié)構(gòu)中柱相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)JA20、JA21和JA22的加速度峰值和放大系數(shù)對(duì)比圖，如圖10所示。由圖10可知，兩種試驗(yàn)工況下相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度峰值隨輸入地震強(qiáng)度的增加逐漸增大，而加速度放大系數(shù)則逐漸減小，變化規(guī)律與模型土相同；與YT工況相比，MT工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)JA20、JA21的加速度峰值和放大系數(shù)相對(duì)較小，而中柱底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)JA22的加速度峰值和放大系數(shù)相對(duì)較大，這是因?yàn)閅T工況上蓋結(jié)構(gòu)與地鐵車站之間為一體化澆筑連接，受土-上蓋結(jié)構(gòu)-地鐵車站耦合作用的影響，加速度反應(yīng)受上蓋結(jié)構(gòu)的影響顯著；與YT工況相比，MT工況上蓋結(jié)構(gòu)與密貼地鐵車站屬于獨(dú)立建筑且硬性接觸，二者相互作用的強(qiáng)度和方式發(fā)生改變，降低了上蓋結(jié)構(gòu)對(duì)密貼地鐵車站結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響。

圖10 中柱監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度峰值和加速度放大系數(shù)對(duì)比圖

為了進(jìn)一步說明輸入不同地震強(qiáng)度時(shí)MT工況與YT工況車站結(jié)構(gòu)自身動(dòng)力特性的差異，不同強(qiáng)度名山波工況下中柱頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)JA20的加速度時(shí)程曲線和傅里葉譜圖，如圖11所示。從圖11可知，MT工況與YT工況車站結(jié)構(gòu)相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線基本相同，加速度峰值均出現(xiàn)在同一時(shí)刻。加速度峰值方面，MT工況與YT工況均表現(xiàn)為隨輸入地震強(qiáng)度的增加逐漸增大，MT工況加速度峰值小于YT工況，幅值變化率分別為11.07%，13.33%，14.9%，說明隨著地震強(qiáng)度的增加，兩種工況加速度峰值的差異逐漸增大；頻譜特性方面，MT工況與YT工況的卓越頻率基本保持一致，MT工況卓越頻率對(duì)應(yīng)的幅值略小于YT工況，說明YT工況下卓越頻率附近的地震能量相對(duì)集中，因此地震響應(yīng)更加明顯。

2.3 模型結(jié)構(gòu)應(yīng)變反應(yīng)分析

考慮到量測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)采集通道數(shù)量有限和最大限度的滿足試驗(yàn)需求，近似認(rèn)為模型結(jié)構(gòu)呈左右對(duì)稱的地震響應(yīng)規(guī)律，選取地鐵車站左半?yún)^(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，開展結(jié)構(gòu)應(yīng)變反應(yīng)規(guī)律研究。以往研究成果表明，混凝土結(jié)構(gòu)主要發(fā)生受拉損傷，受壓損傷程度較小，因此，本節(jié)主要針對(duì)模型結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)變地震反應(yīng)進(jìn)行分析。MT工況和YT工況下，不同地震強(qiáng)度時(shí)地鐵車站側(cè)墻和中柱各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變幅值，如表3所示。

表3 不同工況下結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變幅值

從表3可知，兩種試驗(yàn)工況下模型結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變峰值變化規(guī)律相同，均表現(xiàn)為八角什邡波(近場(chǎng)波)>名山波(中場(chǎng)波)，其中，相同地震波作用下，隨著地震強(qiáng)度的增加，模型結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)變幅值呈逐漸增大的趨勢(shì)，模型中柱端部的拉應(yīng)變幅值最大，側(cè)墻次之，樓板最小，這是因?yàn)橹兄鶛M截面積較小且沒有周圍土體提供抗力，導(dǎo)致承載力相對(duì)不足，水平地震作用下更容易發(fā)生破壞，說明中柱仍然是上蓋地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的薄弱部位。側(cè)墻和中柱頂?shù)撞勘O(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變幅值明顯大于中部位置，這是因?yàn)榈卣鹱饔孟履Ｐ徒Y(jié)構(gòu)和土體處于同步運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致車站結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切變形，中部位置鄰近反彎點(diǎn)且隨地震強(qiáng)度的增加反彎點(diǎn)逐漸向上偏移。MT工況與YT工況相比，什邡波作用下的應(yīng)變幅值變化率大于名山波，當(dāng)?shù)卣饛?qiáng)度為0.1g和0.3g時(shí)，兩種試驗(yàn)工況下應(yīng)變幅值相差較小，應(yīng)變變化率分別為0.4%～1.4%和1.4%～3.0%；當(dāng)?shù)卣饛?qiáng)度較大(0.5g)時(shí)，應(yīng)變幅值變化率出現(xiàn)“跳躍式”變化，應(yīng)變變化率為5.5%～9.8%，這是因?yàn)榈卣饛?qiáng)度較小時(shí)，密貼地鐵車站能夠與上部結(jié)構(gòu)保持同步運(yùn)動(dòng)，YT工況與MT工況結(jié)構(gòu)整體特性基本相同，隨著地震強(qiáng)度的增加，MT工況下上蓋結(jié)構(gòu)與地鐵車站結(jié)構(gòu)之間出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)之間相互作用減弱，上蓋結(jié)構(gòu)對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響減小，導(dǎo)致MT工況車站結(jié)構(gòu)的應(yīng)變?cè)龇黠@小于YT工況。

3 地鐵上蓋車站結(jié)構(gòu)地震破壞機(jī)理及宏觀現(xiàn)象分析

3.1 結(jié)構(gòu)受力機(jī)制

針對(duì)傳統(tǒng)地下單體車站結(jié)構(gòu)而言，地震作用下單體地鐵車站結(jié)構(gòu)處于土體介質(zhì)中，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)特性直接受周圍土體性質(zhì)的影響，而不顯現(xiàn)自身特性。上蓋地鐵車站結(jié)構(gòu)與單體車站結(jié)構(gòu)相比，地震作用下車站結(jié)構(gòu)的受力形式存在一定差異，主要體現(xiàn)在傳統(tǒng)單體地鐵車站結(jié)構(gòu)主要承受的荷載包括地震荷載、頂部土壓力、側(cè)土壓力、底部土壓力和結(jié)構(gòu)慣性力等，如圖12(a)所示；上蓋一體化地鐵車站結(jié)構(gòu)主要承受的荷載包括地震荷載、側(cè)土壓力、底部土壓力、結(jié)構(gòu)慣性力以及上蓋結(jié)構(gòu)傳遞的柱端剪力V、軸力N和彎矩M等，如圖12(b)所示；上蓋密貼地鐵車站結(jié)構(gòu)主要承受的荷載包括地震荷載、側(cè)土壓力、底部土壓力、結(jié)構(gòu)慣性力以及上蓋結(jié)構(gòu)地下室傳遞的豎向均布荷載Q和水平剪力V等，如圖12(c)所示。

圖12 結(jié)構(gòu)受力體系

由圖12可知，上蓋地鐵車站結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)單體地鐵車站結(jié)構(gòu)體系受力機(jī)制的主要區(qū)別在于地鐵車站頂部位置。其中，單體地鐵車站頂板主要承受頂部土壓力以及上部土體與車站結(jié)構(gòu)地震相互作用；上蓋一體化地鐵車站結(jié)構(gòu)缺少上部土體與結(jié)構(gòu)地震相互作用，替代的是上蓋結(jié)構(gòu)傳遞到車站墻體和中柱的剪力、軸力、彎矩，即受上蓋結(jié)構(gòu)的影響顯著；上蓋密貼地鐵車站結(jié)構(gòu)同樣缺少上部土體與結(jié)構(gòu)地震相互作用，替代的是上蓋結(jié)構(gòu)傳遞到車站頂板豎向均布荷載以及水平剪力?？傮w而言，三種結(jié)構(gòu)形式雖然受力機(jī)制各不相同，但地基對(duì)地下結(jié)構(gòu)的約束作用不可忽略，因此，地鐵車站結(jié)構(gòu)、上蓋結(jié)構(gòu)和土體構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的耦合作用體系。

3.2 結(jié)構(gòu)地震破壞機(jī)理及宏觀現(xiàn)象

基于前文針對(duì)粉細(xì)砂場(chǎng)地中地鐵上蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的各項(xiàng)分析以及試驗(yàn)宏觀現(xiàn)象，結(jié)合車站結(jié)構(gòu)主觀測(cè)面的拉應(yīng)變分布圖，給出了上蓋地鐵車站結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生損傷的區(qū)域，如圖13所示。

圖13 結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷區(qū)域

地震強(qiáng)度較小(0.1g，0.3g)時(shí)，結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變幅值較小，模型結(jié)構(gòu)處于彈性階段，兩種地鐵上蓋結(jié)構(gòu)模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度峰值、加速度放大系數(shù)、應(yīng)變幅值等隨地震強(qiáng)度的逐級(jí)增加呈線性增長(zhǎng)；當(dāng)?shù)卣饛?qiáng)度較大(0.5g，0.7g，1.0g)時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變幅值增大，模型結(jié)構(gòu)處于彈塑性階段，結(jié)構(gòu)側(cè)墻、中柱與板相交位置均先后出現(xiàn)損傷，如圖14(a)所示；兩種地鐵上蓋結(jié)構(gòu)模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度峰值、加速度放大系數(shù)、應(yīng)變幅值等隨地震強(qiáng)度的逐級(jí)增加呈非線性增長(zhǎng)。其中，當(dāng)輸入1.0g地震動(dòng)后，上蓋密貼地鐵車站結(jié)構(gòu)與上蓋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了5 mm的相對(duì)位移并出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，如圖14(b)～圖14(c)所示。因此，粉細(xì)砂場(chǎng)地中上蓋地鐵車站的地震破壞機(jī)理是：在土-上蓋結(jié)構(gòu)-地鐵車站結(jié)構(gòu)耦合地震作用，車站中柱率先發(fā)生破壞，隨后中柱承擔(dān)的部分內(nèi)力轉(zhuǎn)移至側(cè)墻，車站側(cè)墻在壓力、彎矩、剪力等聯(lián)合作用下出現(xiàn)裂縫，最后導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞。

圖14 試驗(yàn)宏觀現(xiàn)象

4 結(jié) 論

本文以地鐵上蓋結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，采用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方法研究了粉細(xì)砂場(chǎng)地中上蓋地鐵車站結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)規(guī)律，基于本文的分析可得出如下結(jié)論：

(1)地鐵上蓋結(jié)構(gòu)試驗(yàn)相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度峰值隨著輸入地震強(qiáng)度的增加逐漸增大，而加速度放大系數(shù)則逐漸減小，加速度放大系數(shù)變化幅度隨地震強(qiáng)度的增大而逐漸減小。

(2)與上蓋一體化地鐵車站結(jié)構(gòu)相比，上蓋密貼地鐵車站結(jié)構(gòu)中上蓋結(jié)構(gòu)與車站之間的接觸面起到了隔震效果，改變了地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)作用的強(qiáng)度和方式，導(dǎo)致中柱上部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度峰值和放大系數(shù)相對(duì)較小，而中柱底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)則相對(duì)較大。

(3)上蓋地鐵車站各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變峰值表現(xiàn)為八角什邡波(近場(chǎng))大于名山波(中場(chǎng))，應(yīng)變幅值隨輸入地震強(qiáng)度的增加逐漸增大；當(dāng)?shù)卣饛?qiáng)度較小時(shí)，兩種試驗(yàn)工況下應(yīng)變幅值相差較小，而隨著地震強(qiáng)度的逐級(jí)增加，上蓋一體化地鐵車站結(jié)構(gòu)的應(yīng)變幅值增幅明顯大于上蓋密貼地鐵車站結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)了兩種地鐵上蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)變規(guī)律的差異。

(4)粉細(xì)砂場(chǎng)地中上蓋地鐵車站的地震破壞機(jī)理是：在土-上蓋結(jié)構(gòu)-地鐵車站結(jié)構(gòu)耦合地震作用，車站中柱率先發(fā)生破壞，隨后中柱承擔(dān)的部分內(nèi)力轉(zhuǎn)移至側(cè)墻，車站側(cè)墻在壓力、彎矩、剪力等聯(lián)合作用下出現(xiàn)裂縫，最后導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞。