广州天河公园站主体结构振动台试验研究★

张涛 曹振刚* 吴坤 宁子健 王雁 岳焱超

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司城建院，陕西西安 710043; 2.西安交通大学人居环境与建筑工程学院，陕西西安 710049)

我国城市地下空间开发利用迅速发展，地铁发展呈明显增长。日本阪神地震时地下结构震害严重引起了工程界的重视［1］。地下结构的研究模拟通常采取截面进行简化的二维平面计算，计算模型和模拟很难反映真实的情况。特别是针对异形地铁车站，其数值模拟的真实性更加难以保证，一般采用地下结构模型的振动台试验进行研究。近年来很多学者进行了大量的地下结构模型的振动台试验。杨林德等［2］通过振动台试验发现中柱应变较大。吴秉林等［3］通过振动台试验对Y型柱地铁车站进行了研究，得到了结构的抗震薄弱环节。广州天河公园地铁站是一个大型的三线换乘地铁车站，车站平面结构形式“L形”布置，形状特殊，构造复杂。本文针对其交叉节点处的主体结构进行振动台试验研究。

1 试验设计

1.1 模型相似关系设计

本试验模型相似比由Bockingham定理［4］导出，如表1所示。

表1 模型相似比

1.2 模型制作

由于本项目模型尺寸过大，在选定的相似比关系下，无法考虑整体模型，因此选择关键换乘节点部分进行建模。图1为交叉节点三维模型，图2为交叉节点试验模型实物图。

图1 交叉节点三维模型

图2 交叉节点试验模型实物图

试验模型采用微粒混凝土制作，结构中的配筋采用镀锌钢丝模拟。模型试验中配筋设计两个原则为:承载力相似原则、等面积配筋率原则。车站缩尺模型采用整体现浇，有利于原型结构的受力特征。

1.3 模型箱的设计与土的制备装箱

模型箱采用刚性固定边界［5］。框架使用热轧等边角钢和槽钢焊接制成，底板采用钢板，侧壁采用木板。短边箱体内壁粘贴模塑聚苯乙烯泡沫塑料板，目的是为了减小侧壁波的反射。长边箱体内壁粘贴聚氯乙烯薄膜，目的是为了减小土体和箱壁的摩擦力。底板采用12 mm厚钢板，面积为1.9 m×2 m，底板上打孔为了与振动台连接。模型箱底黏结一层碎石，目的是为了增大土体和箱底摩擦力，避免土体与箱底相对滑动。模型箱如图3所示。

图3 刚性模型箱

李霞等［6］的研究提出，最接近原型土的制备方法是夯实和静压相结合的方法。我们参考该方法制作模型土。本试验的模型土高0.8 m，每填铺100 mm厚虚土，人工夯实3遍。装箱结束后，铺10 t配重块，静压3 d。

1.4 地震输入和试验的加载制度

本实验振动台的输入波采用El-Centro波，如图4所示。在每一级荷载加载前，采用白噪声扫描，以观测模型的动力特性。从0.1g 到1g逐级加载，每级差为0.1g。

1.5 试验装置及传感器布置

对整个试验模型的总质量进行估算，选择与之匹配的振动台。振动台如图5所示。本试验所需的传感器有加速度传感器、应变传感器、土压力计。

本次试验设置2个观测断面，其中1个主观测面，1个辅助观测面。按照前面试验目的及需要测量的数据类型，所需的试验元件有:加速度计(A)、混凝土应变片(S)、土压力计(P)。布置如图6～图8所示。

2 实验结果分析

图4 El-Centro波地震加速度时程曲线

图5 振动台与土箱

图6 振动方向布置图

图7 垂直于振动方向断面传感器布置图

图8 断面测试元件布置图

2.1 破坏现象

加载完成后，主体仍然完好，如图9所示。主要有两处破坏比较严重:

1)墙板交界处。墙板交界处产生水平轴向的贯通裂缝，如图10所示。这是由于上层的层间位移较大，墙板交界处弯矩与集中力比较大。

2)上层中柱。部分顶层的中柱上端产生塑性铰，钢筋裸露，如图11所示。试验现象与数值模拟一致，均为中柱处薄弱。

图9 整体图

图10 部分侧墙发生撕裂

图11 部分中柱破坏

2.2 动应变反应

应变片贴于混凝土表面，由于加工的原因贴片质量较差，以及混凝土的应变性能较差，大震作用下应变片普遍失效，所以本节我们只考察了0.1g El-Centro波输入下的应变反应。各应变片应变时程如图12所示。其中，应变片S2和S3加载前已损坏，故无读数。

图12 应变监测点应变时程

图13 结构应变峰值位置关系图

表2 结构应变峰值位置关系表

图13是小震时结构应变峰值位置关系图，表2是结构应变峰值位置关系表。图13与表2体现了本模型的动应变规律:柱子的应变与距地面的距离有关，底层柱子的应变最小，顶层柱子的应变最大;中柱的应变最大。对照试验完成后模型的破坏现象，也是同样的规律，顶层中柱破坏最严重，底层柱子基本完好。

分析原因，认为地震波靠近地面放大程度越大，导致土体变形越大，被土体约束的结构变形越大，证明地震作用下的地下结构的破坏由位移控制。中柱变形大与试验破坏现象吻合。因此，在进行地下结构设计时，顶层中柱属于薄弱位置。如图13所示，分析1-8轴截面的应变，中柱的应变相对较大。

3 结语

本文通过研究对河公园站三线换乘地铁车站交叉节点的振动台试验，得到以下规律:

1)地震作用下的地下结构的破坏由位移控制，地震波的放大与结构距地面的距离有关;

2)最大应变处出现在顶层中柱，应加强顶层的中柱结构设计;

3)墙板交界处弯矩和集中力较大，应加强墙板交界处的设计;

4)试验完毕后，地铁车站基本完整，只有局部破坏。可见该地铁车站换乘节点结构具有足够的抗震稳定性。