地下铁路建立抗震设计方法的探讨

地下铁路建立抗震设计方法的探讨

1项目研究的背景在世界范围内，地震造成的建筑破坏、财产损失和人员损失已引起人们的注意，但近10年来，不同国家加强了地下结构的抗疲劳动设计。其原因,是因为在城市建设中大规模建造地下结构物是20世纪中期才得到发展的事业,期间在大都市发生的强震很少,因而没有地下结构遭受严重破坏的先例。1995年日本阪神大地震后,上海市十分重视结合软土地层的特点对地铁区间隧道和车站结构开展建立抗震设计理论与方法的研究,且迄今已提出几种算法,然而由于对其涉及的因素的考虑方法不同,由不同的计算方法或模型得出的计算结果之间常有很大的差异,且很难鉴别各自结果的合理性。开展试验研究是解决这类问题的有效手段。本项研究旨在通过对地铁车站结构进行振动台模型试验,深入了解软土地铁结构动力反应的规律,以便为检验理论计算结果的正确性提供验证,并为改进计算模型和分析方法,及进而制定软土地铁抗震设计指南等提供依据。鉴于国内在振动台上对地铁车站结构进行模型试验尚属首次,试验工作的开展遇到了许多困难。项目研究对涉及的问题逐一开展了研究,并都提出了解决方法。试验表明各项仪表基本上都取得了可靠的数据,可见本文提出的试验方法都是行之有效的。2振动台模型试验模型试验分自由场振动台模型试验和地铁车站结构振动台模型试验两类,后者又分典型地铁车站结构振动台模型试验和可反映考虑区间隧道与地铁车站接头结构相互影响的地铁车站接头结构振动台模型试验两种。自由场振动台模型试验主要用于模拟自由场地土层的地震反应,据以获得模型箱内不同位置处的土的动力响应,确定“边界效应”的影响程度和鉴别模型箱构造设计的合理性,并为地铁车站结构和车站接头结构振动台模型试验作准备。典型地铁车站结构振动台模型试验和地铁车站接头结构振动台模型试验,主要用于了解地铁车站结构和车站接头结构与土共同作用时地震动反应的规律与特征,并为建立分析理论和设计方法,以及了解车站结构的可能破坏方式积累资料。振动台模型试验在同济大学进行,设备为由美国MTS公司生产的三向电液伺服驱动地震模拟振动台,其台面尺寸为4.0m×4.0m,最大承载重为15t,振动方式为X、Y、Z三向六自由度,频率范围为0.1～50Hz,台面最大加速度为X向1.2g、Y向0.8g、Z向0.7g。图1为模型箱的外观图,模型箱的边界由焊接热轧等边角钢制成支撑框架(图2),其内采用木板作为箱体侧壁,底部材料为钢板。在与激振方向垂直的方向上,箱体壁面均衬厚175mm的模塑聚苯乙烯泡沫塑料板;而在顺沿水平振动的方向上,则均粘贴光滑的聚氯乙烯薄膜,以减小在箱壁与土体的接触面上的摩擦阻力。在模型箱底部粘结了一层碎石,用以增大接触面上的摩擦阻力,以免激振时模型土体与底板间发生相对滑移。模型箱高1.2m,沿振动方向的净长度为3.0m,垂直于振动方向的净宽度为2.5m,箱中土体高度为1m。可见这类模型箱有结构可靠、边界条件简单明确且模型土数量适度等优点。为防止模型箱和模型土因自振频率接近而发生共振,对模型箱结构的自振频率进行了模态分析计算,以确保其一阶自振频率远离模型土的一阶自振频率。模塑聚苯乙烯泡沫塑料为压缩特性较好的材料,在常温下对其进行了压缩试验,结果表明在应变ε<0.3时,聚苯乙烯塑料板的应力-应变关系可用如下的分段线性函数描述:σ={2.50εε≤0.01810.12ε+0.0418ε＞0.0181(1)与此同时,采用敲振法测定了模塑聚苯乙烯泡沫塑料板的动弹性模量,其值为4.13MPa。3相似关系的确定鉴于上海市区的地震设防烈度为7度,按二维问题分析时振动台模型试验拟主要模拟在水平向地震动作用下结构的抗震性能。故在进行模型设计时,拟主要使抗侧力构件,即梁、板、柱和箱形结构的四壁及其节点的几何尺寸、配筋等尽量满足相似条件。对其余结构构件的相似关系,则拟适当放松要求。对于土体介质,拟主要使变形性能与原型相似。由此将在模型设计中据以确定相似关系的原则选为:(1)采用重力失真模型,将主要构件的几何相似比及主要材料的弹性模量相似比和质量密度相似比作为模型设计的独立参数。(2)土和结构遵循相同的相似比例关系,使模型系统可在一定程度上反应原型系统中土与结构相互作用的特性。(3)确定模型相似关系时同时考虑振动台的性能、制作模型的条件、试验室起吊设备的能力和模型安装工艺要求等因素对试验实施的制约。地铁车站结构通常约长300m,而可供采用的模型箱长度仅约3m,可见如按实际尺寸模拟车站结构的长度,必将很难选定合适的相似系数。因此,模型设计过程中对端部约束对地铁车站结构受力状态的影响作了专题研究,以期论证在确保车站结构的受力特征保持基本不变的前提下适当缩短其纵向长度的可能性。理论分析结果表明,模型试验中车站结构模型的横断面离相近端的距离达0.76倍车站宽度时,采用平面应变假设对其进行分析时误差已可忽略,因而认为在将车站结构模型长度取为约3m时,可在离端部0.76倍截面宽度以远的位置上设置量测断面。与此同时,试验过程中拟在两端设置必要的量测元件,用于监测接头结构空间效应的影响程度。实测数据表明上述理论分析成果有一定偏差,但主观测断面上的变形性态仍与平面应变假设较好相符。楼梦麟教授的研究表明,地基平面尺寸与结构平面尺寸之比大于5时,动力计算结果已可趋于稳定,侧向边界的影响可予忽略。另据陈跃庆等的试验结果,认为自由场平面尺寸与模型箱宽度之比大于2时,不同深度处的自由场加速度的放大系数已趋向稳定。这些数据都可对本次试验中相似关系的确定提供借鉴。对模型土材料和结构模型材料的特性,本次试验拟将质量密度相似比例取为1,弹性模量相似比例取为1/5。以上参数确定后,由Bockingham定理可导出其它物理量间的相似关系,如表1所示。4动力特性指标设计根据上海地铁车站穿越的主要土层的特性,本次试验将淤泥质粘土选为原型土,据此配制模型土。试验中采用制作模型土的材料为褐黄色粉质粘土,因为这类粘土获取方便,且干燥时强度较高,遇水后可迅速软化,易于通过掺加水分使其特性满足对模型土配制的要求。此外,这类粘土粘粒含量较淤泥质粘土少,易于通过加水搅拌获得较为均匀的土样。试验开始前,对获得模型土优化配比的途径进行了研究,结论主要包括:(1)应力求在最大动剪切模量值和动剪切模量与动剪应变间关系曲线的变化规律两方面使模型土与原状土尽量相似。(2)鉴于塑性指数是关键影响因素,试验过程拟主要注意塑性指数的变化对土动力特性产生影响的规律。(3)针对褐黄色粉质粘土的特性,探索通过控制掺水量及其密实度调整最大动剪切模量值的途径。根据前期试验的结果,本次试验决定将模型土的含水率控制在30%～33%之间、密度控制在1.90～1.92g/cm3范围内。采用上述指标时,模型土的动力特性指标可符合本次振动台模型试验的要求,且模型土易于均匀拌制,并可通过制作试样测定模型土的动力特性。对模型土试验结果进行曲线拟合的研究表明,采用三参数Davidenkov模型能很好地拟合试验结果。Davidenkov模型可描述为:Gd/Gmax=1-[(γd/γ0)2B1+(γd/γ0)2B]A(2)式中A、B和γ0为用于数据拟合的常量参数,Gmax为最大动剪切模量,对于本次试验的模型土,上式中A取1.26,B取0.44,γ0为0.0004。配制模型土时,首先将足够洁净、干燥的褐黄色粉质粘土粉碎至均匀细颗粒状,然后采用小型强制型建筑搅拌机拌制模型土。在拌制过程中要注意严格控制掺水量,并通过采用分层机械压密措施,使装箱后模型土的密实度能达到预定的要求。5地铁车站结构模型本次振动台模型试验采用的结构模型分为典型地铁车站结构模型和地铁车站接头结构模型两类。其中前者模拟的结构由顶板、底板、楼板、中柱、底纵梁、侧墙和端墙等构件组成,后者则还包括圆环形区间隧道的衬砌。两类结构的构件均为钢筋混凝土梁、板或柱,或为圆弧形钢筋混凝土砌块。振动台模型试验中,目前通常采用微粒混凝土和镀锌钢丝分别模拟钢筋混凝土构件中的混凝土和钢筋。本次试验中,对车站结构模型采用的微粒混凝土标号为C8,模拟隧道结构的微粒混凝土的标号则为C10。采用镀锌钢丝模拟混凝土结构中的钢筋时,对模型结构中的梁、柱部件的配筋,采用了镀锌钢丝现扎骨架;而对板、侧墙及隧道结构模型中的配筋则采用了成品方孔钢丝网。鉴于典型地铁车站结构模型的长度较长和需在模型结构内部粘贴应变片,整个模型分三段分别浇注,养护15天后再对各分段浇注对接接头。施作地铁车站接头结构模型时,先完成模型的车站部分和区间隧道部分的浇注,养护15天后将两部分连接成整体。连接方式为固结。6传感器设置位置本次试验的量测信息选为在振动台激振过程中,记录结构模型构件的应变值、模型土和结构的加速度值及模型土与结构之间的接触压力值,选用的传感器分别为电阻应变传感器、压电式加速度传感器及电阻应变片式土压力盒。对埋置在模型土中的加速度传感器进行了改装,防止水影响其正常工作,且避免试验过程中加速度计可能出现与土耦合振动的情况。试验设计中,对传感器设置位置的优选作了研究,进行的工作主要有:(1)按三维问题的分析,确定在沿车站结构长度方向上、结构受力变形的特征符合平面应变的假设条件的部位,以便在这些部位设置监测断面。(2)按二维平面应变问题的分析,确定横断面上结构构件受力变形最大的部位,并在这些部位设置传感器。自由场振动台模型试验中,在土体的表面、中部及其与箱壁的接触面上布设了测点,用以采集模型土和模型箱的加速度值,以及模型土和模型箱间的接触压力值。其中前者共设置了16个传感器,后者为4个。典型地铁车站结构模型试验中,共设置了3个观测断面,位置均与中柱轴线重合,其中2个位于车站结构的中部,一个为主观测断面,另一个为辅助观测断面。第三个观测断面离端部距离较近,用于接收可用于鉴别纵向边界约束对地震响应影响的信息。加速度传感器共设8个,应变计共设23个,土压力盒共设7个。加速度传感器的设置位置见图3(a),主观测断面的仪表设置示于图3(b)。地铁车站接头结构模型试验中,车站结构部分的观测断面位于中部,区间隧道在中部和靠近分隔墙的部位各设置了一个观测断面。加速度的传感器共设9个,应变计共设15个,土压力盒共设8个。7加速度幅值w本项试验选取三种地震波作为振动台的输入波,分别为EICentro波、上海人工波(SHW2)和正弦波。利用等效线性化一维土层地震反应计算程序,算得了在三种设防概率情况下,在基岩输入上海人工波(SHW2),地表下30m土层部位的加速度反应时程的幅值分别为0.0231g、0.072g和0.101g,并以此作为振动台试验模拟的原型场地在三种概率下的加速度幅值。对于基岩输入EI-Cenro波和正弦波情况,则依照上海人工波取值。试验采用单向输入激励,台面输入的加速度峰值逐级递增。输入波的时间间隔和加速度峰值根据相似关系作了调整,试验时采用的步长为0.0013s。在开始激振前用小振幅的白噪预振,使土体模型密实。其后每次改变加速度输入峰值时亦均输入白噪扫描,以观测体系模型动力特性的改变情况。采用的自由场振动台模型试验加载制度表示于表2,典型地铁车站结构和地铁车站接头结构振动台模型试验加载制度表示于表3。8地铁车站接头结构模型的确立依据上述研究成果,完成了自由场振动台模型试验、典型地铁车站结构振动台模型试验和地铁车站接头结构振动台模型试验的设计工作,并顺利地实现了各项试验。试验获得的资料有模型的加速度时程、结构构件的应变