不同类型地震波作用下软土场地地铁车站动力响应试验研究.docx

? ? 不同类型地震波作用下软土场地地铁车站动力响应试验研究* ? ? 张志明 姚 贵 袁 勇 (1. 贵州大学土木工程学院， 550025， 贵阳； 2. 贵州大学贵州省岩土力学与工程安全重点实验室， 550025， 贵阳；3. 同济大学土木工程防灾国家重点实验室， 200092， 上海∥第一作者， 讲师) 地震动特征是影响隧道、地铁车站等地下结构地震响应的重要参数[1]。国内外学者围绕地震动特性对埋置隧道[2-5]动力响应的影响已进行了大量模型试验、数值模拟和解析研究。然而，针对软土场地地铁车站地震动特性对其动力响应影响的研究，往往仅采用数值模拟方法实现[6-8]，利用振动台试验的研究偏少。本文以上海某软土场地框架式地铁车站为背景，采用振动台模型试验方法，在模型基底输入多个地震波，开展不同频谱特征地震波作用下地铁车站的动力响应研究。 1 试验概况 模型几何比例尺取1/30，振动台试验的相似比设计、模型材料、仪器设备等细节参见文献[9-10]。 图1为试验过程实录，图2为传感器布置图。图2 a)中AM-1—AM-5为远离车站场地中沿深度布置的加速度计；AN-1—AN-5为场地中紧邻车站外墙布置的加速度计；AW-1—AW-5为布置在车站结构外表面的加速度计；图2 b)、图2 c)分别为车站应变片和侧墙土压力计布置。 表1为试验加载工况表，所有地震动均为水平横向输入，台面的峰值加速度均调整为0.1g。图3给出了未经过相似比调整的4条原始地震波(上海人工波、El Centro波、Kobe波、Loma Prieta波)的加速度时程曲线。傅里叶谱可以从两个不同的角度全面描述一个地震动过程的频谱特性，包含了各频谱分量的振幅和频率分布信息[11]。利用快速傅里叶变换可以得到图3中4条原始地震波的加速度傅里叶幅值谱，如图4所示。 图1 试验过程照片Fig.1 Photos of test process 尺寸单位：mma) 加速度计布置 b) 应变片布置 表1 试验加载工况表 2 软土场地框架式地铁车站模型试验结果分析 针对表1中的试验加载工况，依次讨论场地加速度、结构加速度、结构动应变、动土正应力等响应，分析土-车站结构的地震动力相互作用。 2.1 加速度响应 定义加速度放大系数为： a) 上海人工波 c) Kobe波 a) 上海人工波 c) Kobe波 (1) 式中： Fa——加速度放大系数； aZ——场地深度z处测到的加速度峰值； aB——振动台台面加速度峰值(即PBA)。 可以绘出特定地震波输入下远离车站结构的场地、紧邻车站侧墙场地及车站结构不同位置的加速度放大系数随场地深度的变化曲线。 2.1.1 远离车站场地 该场地加速度放大系数随场地深度分布情况如图5所示。4条地震波作用下，场地的Fa随深度分布并不同。从场地底部到顶部，Kobe波和Loma Prieta波作用下的Fa持续递增，El Centro波和上海人工波的作用下Fa先递减后递增。总体上，在相同场地深度处，Kobe波和Loma Prieta波作用下的Fa较大且接近，El Centro波作用下的次之，上海人工波作用下的最小，且地表处4条地震波作用下的Fa依次为2.50、2.65、2.43和1.83。 图5 远离车站场地加速度放大系数随场地深度分布Fig.5 Distribution of acceleration amplification factor withdepth of site away from station 2.1.2 紧邻车站侧墙场地 该区域场地的加速度放大系数随场地深度分布情况如图6所示。 图6 紧邻车站侧墙场地加速度放大系数随场地深度分布 紧邻车站侧墙场地的Fa，在相同场地深度处，Kobe波作用下的最大，Loma Prieta作用下的次之，El Centro波作用下的再次之，上海人工波作用下的最小，这与前述远离车站场地的加速度响应规律略有区别。整体上，沿侧墙底到顶，场地加速度略有递增，中板埋深处场地加速度有减小的趋势。 2.1.3 车站结构侧墙 车站结构侧墙加速度放大系数Fa随场地深度分布如图7所示。在相同场地深度处，Kobe波作用下的最大，Loma Prieta作用下的次之，El Centro波作用下的再次之，上海人工波作用下的最小；沿深度Fa分布形状有一定差异，特别是上海人工波作用下的Fa呈现侧墙顶和底最大、往侧墙高度中央趋于递减的特征。可见，车站侧墙的加速度响应规律与前述紧邻车站场地的加速度响应规律一致。 图7 车站结构侧墙加速度放大系数随场地深度分布 综上，不同类型地震波将同时影响场地、车站结构的加速度大小和沿场地深度的分布，低频丰富的地震波对加速度的放大效应更加显著。一些地下结构动力响应简化算法中，假设车站横向变形沿高度呈线性，而本试