大断面地下结构抗震模型试验

长期以来,人们对地下结构抗震问题注意不够,一直认为“地下结构是安全的”。然而1995年1月17日发生在日本的阪神大地震,使神户市地铁等各类地下结构均遭受不同程度的破坏,打破了“日本地铁不可破坏”的神话,充分暴露了地下结构抗震的弱点。因此必须深入研究地下结构地震时的响应规律,对其抗震能力重新进行评估。对地下结构抗震问题的研究,主要采用理论分析与实验研究相结合的途径。分析影响地下结构地震响应的因素时,试验研究是重要的、不可缺少的办法。然而国内外现有的研究主要集中在一维线性地下结构,大断面地下结构抗震试验研究的工作开展得极少。

本文通过开展大断面地下结构振动台模型试验,揭示出地震情况下大断面地下结构的一些动力响应分布规律。

1 试验情况

本试验以人防工程中常用的单层多跨无梁楼盖结构为研究对象,用有机玻璃制作了9区格的结构模型。结构模型尺寸为60cm×60cm×24cm,其中中柱横断面尺寸为1.2cm×1.2cm,顶底板厚度为1.2cm,侧墙厚度为5cm。以细干沙模拟场地土,沙层厚度为1m。装沙箱体尺寸为2.8m×1.2m×1.2m。在MTS振动台上结构分别以36cm(工况1)和10cm(工况2)两种埋深进行了地下结构振动台模型试验。在土和结构模型的关键部位布置了62个测点,其中加速度22个(结构上14个,土中6个,箱体上2个),应变30个(结构上),位移3个(结构上),土压力7个(土中2个,结构上5个),分水平、竖直、水平与竖直耦合等3种方式输入阪神(输入量级0.1g~1.2g)和ELcentro(输入量级0.1g~1.2g)两类地震波,主要测得土-结构界面上的动土压力、加速度、结构的动应变、位移等4种物理量。试验输入地震波波形见图1~3,结构模型测点布置见图4,试验用材料参数见表1,各物理量的动力相似关系见表2。

2 试验结果

2.1 加速度反应

随着各测点位置的不同,加速度响应差异较大,总体趋势是:土体和地下结构的加速度都是由低到高逐渐增大,而在同一高程处,土体中的加速度大于结构上的加速度(图5)。结构顶板的加速度响应比底板大,可达到底板的2.3倍。浅埋时加速度响应值普遍比深埋时大,而且增加的幅度比较大。顶板和侧墙上方的放大系数较大,放大作用较强,振动比较激烈。因此,地震时地下结构振动反应最激烈的部位是结构顶板及其两侧墙顶,这些部位需要承受的激振力最大,容易遭受破坏。

2.2 动应变反应

结构顶板的动应变峰值最大,受拉受压循环变化,反应最小的位于结构底板,以受压为最大。中柱和侧墙都是上下两端大,中间小,而中柱比侧墙动应变大(图6)。图7反映的是两种埋深情况下结构侧墙动应变随荷载输入强度的变化。由此可见,深埋结构比浅埋结构动应变小得多。这说明地下结构顶部的覆土对结构的地震反应影响很大,埋深越大,覆土对地下结构的约束作用越大,结构对地震荷载的动力响应越小。图8显示的是两种输入情况下结构中柱的应变情况。由图8可见,水平与竖直耦合输入的地震荷载与同级别水平荷载相比,结构的动应变响应显著增大,因此城市直下型地震对结构的破坏极大,应特别注意预防。

2.3 变形分析

由结构侧墙上排列的3个位移计的测量结果可以发现,在地震荷载作用下,周围场地土的运动会引起结构的变形和运动。由于周围场地土的运动会发生放大作用,其上下位置变形不一致,使结构也发生相应的变形。结构的变形随输入荷载的增大而增大。结构上部的变形大,下部的变形小,结构由原来的矩形变成了平行四边形。且结构中柱和侧墙的上下端动应变和位移都比中间大,这说明地下结构的上下墙角和上下柱角最容易遭到地震的破坏。

2.4 应力分析

就结构各点应力大小来看,结构顶板的角隅处,支柱顶端和底端以及靠近底板的角隅处,应力较大,比较危险,需要在设计和施工时着重注意。

3 结 论

(1)由于地下结构的振动变形受周围场地土的约束作用十分显著,因此地下结构的振动特性受埋深的影响很大,浅埋结构比深埋结构的动力响应大(特别是动应变)。这说明浅埋结构比深埋结构在地震时更易遭到破坏。

(2)地震荷载的竖直分量对结构的动力响应,包括加速度、动应变都有显著的影响,特别是对结构中柱动应变的影响很大。同时结构中柱的动力响应又比侧墙大,由此可推断阪神地震地铁车站破坏的主要原因有:①阪神地震波的主频率比较低,低频成分较多。②阪神地震中地震波的垂直分量比较大,这使得地铁车站的重要构件———中柱内力大大增大,造成中柱破坏,最终导致结构的破坏。

(3)结构的动力响应与输入加速度峰值近似成线性关系,而随着激励振幅的增加,土的共振频率和振幅减小,场地土显示出较强的非线性特性。