地铁车站结构振动台模型实验的研究.docx
- 文档编号:29193633
- 上传时间:2023-07-21
- 格式:DOCX
- 页数:10
- 大小:23.08KB
地铁车站结构振动台模型实验的研究.docx
《地铁车站结构振动台模型实验的研究.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《地铁车站结构振动台模型实验的研究.docx(10页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
地铁车站结构振动台模型实验的研究
地铁车站结构振动台模型实验的研究
【提要】:
对地下铁道开展成立抗震设计方式的研究正逐渐取得人们的关注。
本文通过度析地下结构振动台实验的现状和难点,在此基础上进行地铁车站结构振动台模型实验。
利用振动台对地铁车站结构进行模型实验在国内尚属第一次,实验工作的开展碰到许多困难,如模型箱的形式、模型土的配制方式及其动力特性、相似关系比的肯定、传感器类型的选择与布置等。
针对这些困难一一开展了研究,并提出了解决方式,实验结果表明本文提出的实验方式行之有效。
【关键词】:
地下结构振动台实验模型实验地铁车站
Abstract:
Tosetupan.aseismicdesignmethodanditsresearchforMetroprojecthaswonmanyconcernsdaybyday.Thepaperbywayofanalysingtheexistingconditions,andproblemsofvibrationstandtestforundergroundstructure,istoestablishmodeltestofvibrationstandforMetrostationisthefirsttimeinthiscountrytomakemodeltestonMetrostationstructureonvibrationstand,encounteringmuchdifficulty,suchastheoatternofmodelbox,modelsoilprescription,anditsdynamiccharacteristics,tosetupasimilarityratio,aselectionoftranspondersanditsarrangement.AStudyisgoingontotacklethemonebyone,resultinginofferingrespectivesolutions.Thefindingssuggestthemethodproposedinthearticleiseffective.
Keywords:
undergroundstructure,vibrationstandtest,modeltest,metrostation.
1引言
目前世界各国对地下结构的抗震设计开展的研究还较少,如在我国的《地下铁道设计规范》(GB50157-92)中,对地下铁道的抗震设计还无具体规定。
阪神地震及历史上发生的大震一再表明,软土地基会增大地震作用的破坏程度。
上海市区的软土地层厚达250~300m,其中,浅层普遍存在淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土,和易于发生振动液化的粘质粉土、砂质粉土和粉砂层等,因此十分有必要结合软土地层的特点对地铁结构开展成立抗震设计理论的研究[1]。
其间碰到的困难,第一是对地震作用下地铁车站结构与软土的动力彼此作用的特点缺少感性熟悉,故有必要对软土地层中的地铁车站结构进行振动台模型实验[2],依据实验结果对土结构动力彼此作用的特点得出规律性熟悉,据以分辨可能产生震害的主导因素,和成立分析理论和设计计算方式[3]。
2地下结构振动台模型实验研究的现状
土-结构彼此作用的研究起始于20世纪30年代的后期,主要研究地基与上部建筑物彼此作用的问题。
20世纪70年代,由于核电站、沉埋隧道、海洋平台等大型工程的兴修,和计算技术的进展,土-结构彼此作用的问题日趋受到关注。
在这种课题的研究进程中,为验证理论计算模型的合理性和分析土-结构动力彼此作用的机制,振动台模型实验开始成为一种不可缺少的实验技术。
实验研究主要集中在:
砂土液化对结构的影响、土-桩的动力彼此作用、土-土工结构的动力彼此作用和土-地下结构的动力彼此作用。
(1993)等人利用振动台对不同截面形式、不同截面宽度和在易液化土层中埋置深度不同的结构模型做了一系列振动台实验,研究结构形式及易液化层的厚度对土层液化程度和地下结构受力变形的影响。
管道大体断面形状为矩形,宽度别离为150cm和75cm,高度和长度均为150mm和590mm。
结构模型用铝板制作。
模型箱长、宽、高别离为1800mm、600mm和1100mm。
模型土由易液化和不易液化的两种土层组成,上部为易液化层,底部为不易液化层,材料均为干净的Toyoura砂,通过调整其密实度模拟易液化和不易液化的特性。
管道埋置在易液化土层中,两头与模型箱的壁面间设有厚5mm的软海绵,以减小结构模型和砂箱边界间的摩擦阻力。
日本建设省建筑研究所进行了建筑物-桩-地基系统的振动台模型实验[5],模型比例为1/30。
基础和桩知足几何相似条件,建筑物模型则只考虑大体自振频率和质量的相似。
为便于调节剪切波速,采用丙烯和胶状粘土制作模型土。
在模型土周围添置饱和氨基甲酸脂,用以减少边界效应的影响。
太平洋地震工程研究中心在1997年、1998年做了一系列振动台实验研究土-桩-上部结构一路作用问题[6]。
桩基础模型的比例为1:
8,用铝合金制作。
模型土由必然比例的高岭土、膨润土和粉煤灰组成,通过加入必然量的水调整其抗剪强度和阻尼比等的相似比例。
Sherif(1984)和Savidis(1985)等人都利用大型振动台对挡土结构做了模型实验,研究地震作用下挡土结构表面的位移散布、动土压力的散布和基底滑移破坏的模式等问题。
和(1973)对沉埋隧道在地震时的反映做了振动台模拟实验,隧道结构模型的形式为8cm(8cm方形橡胶管。
模型箱采用刚性材料制作,平面尺寸为。
采用明胶模拟砂土,实验中没有考虑尺寸效应和边界效应等问题。
3地下结构振动台模型实验的技术难点
地下结构振动台模型实验除需考虑一般地面结构实验涉及的难题外,还须考虑与其自身特点有关的许多难点。
相似比例问题
地下结构振动台模型实验中,相似比例问题包括三个层面的含义,即地下结构模型与原型的相似,场地土模型与原型的相似,和地下结构模型与场地土模型相似比例的匹配。
相似比例问题第一来源于振动台设备能力的限制,如台面尺寸限制了模型的最大尺寸,模型系统的最大重量不能超过振动台的最大承载能力,实验须在重力场条件下进行等。
第二来源于模型材料的选择,虽然相似理论提供了相似原则,但因可供选择的材料的种类很少,且模型材料的特性往往不能同时符合各类相似条件的要求,通常只能按照被研究的问题的特点,使主要相似指标取得知足,而放宽对其他指标的要求。
结构模型的尺寸与材料
地下结构模型的尺寸
地下结构振动台模型实验中,结构模型的相似比例通常很小。
其原因,一是因为地下结构平面尺寸较大,如地铁车站的长度可达300m左右;二是为了尽可能减少模型箱边界效应的影响,只能做大振动台小结构实验。
另外,地下结构模型的尺寸问题还来自材料的工作状态。
进行弹性实验时,可取较小的相似比例,最小可达1/200~1/300,而破坏实验,尤其是钢筋混凝土结构模型的破坏实验,几何相似比例一般不小于1/50,模型过小不仅会带来制作、量测上的困难,而且模型结构构件的最小截面厚度、钢筋间距、保护层厚度等也将无法知足模拟要求。
地下结构模型材料
地下结构静力实验常选用石膏和石膏硅藻土等脆性材料制作结构模型,但在进行振动台模型实验时,结构模型埋置在模型土中,模型土含有的水分对石膏及石膏混合材料的强度和弹性性质将会有专门大的影响。
地下结构振动台弹性实验常常利用的结构模型材料有:
合成树脂类材料,如有机玻璃和环氧树脂;橡胶材料,如硅橡胶材料和乳胶材料。
动力破坏实验中,制作结构模型的主要材料是微粒混凝土和石膏混凝土。
场地土模拟的材料与范围
场地土的模拟材料
目前对场地土采用的模拟材料可分为两类,即采用重塑土或原状土的相似材料制作模型土。
采用重塑土的长处是土颗粒的形状、大小和粒径级配等与原型一致。
按照问题的性质,对重塑土需采用适当的方式改变某些主要特性参数,以大致符合相似比例要求。
如在研究与液化有关的问题时,通常采用干净的砂,用水调整其饱和度和相对密度;在研究渗透和孔隙水压力扩散的问题时,可在砂中加入一些粘性液体,如甘油或硅油,或粉煤灰等物质来改变孔隙比,使得水压力转变的时程符合相似比要求;有时也常加入铁砂和氧化铅等大比重物质,作为改变密度的一种手腕。
采用相似材料制作模型土时,较为常常利用的材料有明胶颗粒、高岭土和膨润土等。
实验设计研究中需按如实际情形,通过加入水、甘油、橡胶屑等物质,使其特性参数知足相似要求。
一般说来,目前对场地土的模拟,在振动台上还只能做到使模型土的密度、密实度或弹性模量与原型近似相似,而对动力特性模拟的能力还超级有限。
场地土的模拟范围
模拟范围不仅应考虑场地土的平面尺寸与结构平面尺寸间的关系,而且应考虑场地土的平面尺寸与深度间的关系。
指出,在刚性模型箱内对半无穷平面进行模拟时,平面尺寸应为高度的~倍。
另外,模型箱的形式和边界材料的特性对模拟范围的肯定也有专门大的影响。
结构和场地土模型间相似比例的匹配
土中结构的地震响应与其和土之间的刚度之比及阻尼之比等有关,其值通常直接影响接触面上法向应力、切向应力的散布和结构的振动响应。
相似系统由不同种类的材料组成时,模型实验相似理论要求量纲相同的参数相似比应维持一致,但在实际实验中,这一要求却难以达到。
例如模型材料的密度,通常可用附加人工质量的方式使其知足相似要求,但因地下结构模型的比例较小,为使结构模型和模型土间密度的相似比例一致,必需附加专门大的人工质量,由此致使重量超过振动台的最大承重能力;与此同时,若在模型土中加入过量的人工质量,必将致使土的自振特性和刚度特性显著改变。
因此,以往的实验通常忽略对土的相似模拟,或在模拟时不考虑土、结构之间相似比例的匹配。
模型箱边界效应问题
这种问题第一是指模拟半无穷场地问题时,用于盛土的模型箱的边界对激振可形成反射波,使模型土的振动与自由场地中波传播问题有专门大的不同;第二是因模型箱内表面与模型土之间存在摩擦力,使模型在低应力水平下(未克服摩擦力之前)刚度变大;另外,模型箱围护材料对模型土应变有必然的约束作用,使模型土不能自由变形。
因此,设计模型箱时应注意力求最大限度地减小边界效应的影响。
Whitman,Lambe和Kutter(1981)第一设计了用于离心机实验的迭环式模型箱(图1)。
箱体结构由水平叠放的铝环组成,靠弹簧对铝环施加拉力将其相连,内衬聚四氟乙烯。
这种容器缺点是无法对箱体的侧向刚度给予控制,因此造成在必然高度处,而不是在顶部,铝环间相对位移最大,从而在土中形成拱效应。
应注意使箱体的高径比小于1,不然拱效应加倍明显。
另一缺点是无法证明箱体内土体的变形为剪切变形,而不是弯曲变形。
针对上述问题,Hushmand(1988)等研制了用于离心机实验的层状模型箱,由方形铝环叠放而成(图2),每环接触面间安装有辊珠,水平向摩擦力很小。
为了限制最大位移量,在模型箱两头设置了悬臂梁,预留位移空距为。
Schofield和Zeng[12]进一步对层状模型箱做了改良,取消了环间接触面上的辊珠,而替代以橡胶,以利于环间剪切变形加倍充分进展。
用于振动台实验的模型箱一般都借鉴离心机实验。
PhilipMeyamand(1998)采用的模型箱的形状为圆筒形,围护材料为滑腻橡胶皮。
胶皮上部用圆形钢梁固定,下部固定在钢性板上。
钢梁由四根带万向节的支柱支承,允许模型箱侧向变形。
胶皮外部用质地牢固且重量很轻的纤维缠绕,以便为围护结构提供侧向刚度。
这种模型箱存在的问题和Whitman设计的箱体相同,即无法控制侧向刚度,土体拱效应明显。
在实验中采用的模型箱的特点为:
围护边界用销与底部连接,允许发生绕底部的转动变形;模型箱侧面用联系梁相连,使其与箱内土层的变形一致;边界材料有必然的柔性,尽可能反映土层沿竖向的变形规律。
量测信息和数据的收集
在地下结构模型上安置量测仪器时,常会因构件尺寸较小而显著改变结构的局部刚度,或因空间尺寸较小而给量测仪器的设置带来困难。
土的动力反映的量测涉及许多问题。
如在土中埋置的传感器可因质量密度远大于模型土而出现与土耦合振动的现象;激振时传感器在土中的位置和方向有可能发生改变,难于取得期望部位的位移数据;和模型土中的含水量专门大时传感器将不能正常工作。
这些困难使在实验时,土中常仅布置较少量的传感器,而且主如果加速度计。
在土中直接量测动应力和位移的散布,目前尚未较好的方式。
动力破坏实验中,观察结构在不同阶段的外观转变也很重要,因为它可为分析判断结构的破坏原因提供最直接的信息。
但是对于沉埋在土中的地下结构,取得这种信息很有难度,只能主要通过应变片了解结构各部位破坏的进展情形和最终破坏形式。
4地铁车站结构振动台模型实验的研究
模型实验分自由场振动台模型实验和地铁车站结构振动台模型实验两类,后者又分典型地铁车站结构振动台模型实验和可反映考虑区间隧道与地铁车站接头结构彼此影响的地铁车站接头结构振动台模型实验两种。
实验装置
模型实验在同济大学进行,其振动台台面尺寸为×。
图3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,其内采用木板作为箱体侧壁。
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,则均粘贴滑腻的聚氯乙烯薄膜。
在模型箱底部粘结了一层碎石,以避免激振时模型土体与底板间发生相对滑移。
模型箱高,沿振动方向的净长度为,垂直于振动方向的净宽度为,箱中土体高度为1m。
为避免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。
相似关系
实验主要使地铁车站结构抗侧力构件的几何尺寸和配筋尽可能知足相似条件,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。
模型设计进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,理论分析结果表明,模型实验中车站结构模型的横断面离相近端的距离达倍车站宽度时,采用平面应变假设对其进行分析时误差已可忽略。
依据上述研究,可将长近约300m的地铁车站结构缩短至112m,肯定长度相似比例为1/30,使结构模型长度知足模型箱宽度要求,模型宽度尺寸至模型箱边界符合要求,以最大限度减小边界效应的影响。
对模型土材料和结构模型材料的特性,本次实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。
以上参数肯定后,由Bockingham定理可导出其他物理量间的相似关系。
模型土的配制
实验将淤泥质粘土选为原型土,据以配制模型土,采用褐黄色粉质粘土制作模型土。
实验开始前,对取得模型土优化配比的途径进行了研究,结论主要包括:
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转变规律两方面使模型土与原状土尽可能相似;鉴于塑性指数是关键影响因素,实验进程拟主要注意塑性指数的转变对土动力特性产生影响的规律;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。
配制模型土时,第一将足够干净、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。
在拌制进程中严格控制掺水量,并通过采用分层机械压密办法,使装箱后模型土的密实度能达到预定的要求。
结构模型的制作
结构模型采用微粒混凝土,采用镀锌钢丝模拟混凝土结构中的钢筋。
鉴于结构模型的长度较长和需在模型结构内部粘贴应变片,模型分三段浇注,养护15d后再浇注后浇带。
传感器类型的选择与布置
量测信息包括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,选用的传感器别离为电阻应变传感器、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,避免水影响其正常工作,且避免实验进程中加速度计可能出现与土耦合振动的情形。
实验设计中,对传感器设置位置的优选作了研究,进行的工作主要有:
按三维问题的分析肯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;按二维平面应变问题的分析肯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。
地震输入和实验加载制度
实验选取三种地震波作为振动台的输入波,别离为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映计算程序,算得在三种设防概率情形下,在基岩输入上海人工波(SHW2),地表下30m土层部位的加速度反映时程的幅值别离为、和,并以此作为振动台实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-Centro波和正弦波情形,则依照上海人工波取值。
实验采用单向输入鼓励,台面输入的加速度峰值逐级递增。
输入波的时刻距离和加速度峰值按照相似关系作了调整。
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形。
5结语
地下结构地震模拟振动台相似实验目前还存在很多难点,且无法圆满地解决。
在这种情形下,估量原型反映的靠得住程度取决于模型设计的技能和正确估量模型失真的影响,这需在实验设计时,应该通过一些理论分析,为实验模拟提供如何简化结构形式和相似模拟参数的合理肯定等信息。
地铁车站振动台模型实验研究顺利实现了自由场振动台模型实验、典型地铁车站结构振动台模型实验和地铁车站接头结构振动台模型实验。
实验记录及后续的理论计算研究表明,三种实验都大体达到了预期的要求,且数据靠得住。
实验完毕后,用放大镜观察了结构模型的外表和内部构件,结果未见有任何损伤,可见实验结果不仅为成立分析理论提供了依据,而且直观地表明了上海市现有的地铁车站结构及其区间隧道的接头结构具有足够的抗震稳固性,结构在设防烈度下将可安全靠得住地利用。
与此同时,结构模型中柱部位的应变相对较大,可见从优化结构整体抗震能力的角度应适当增强地铁车站结构中柱的刚度。
参考文献
[1]TokidaK,etal,LiquefactionPotentialandUpliftDeformationofUndergroundStructure[A].In:
SoilDynamicsandEarthquakeEngineering:
Ⅵ[C],1993,365-380
[2]林皋.土——结构动力彼此作用[J].世界地震工程,1991,11
(1):
4-21
[3]PhilipMeyamand.SeismicSoilPileSuperstructureInteraction[J].PEERCenterNews,1998,1
(2):
1-4
[4]GotoY,OtaJ.OntheEarthquakeResponseofSubmergedTunnels[A].Proceedingsofthe5thWCEE,1973,579-582
[5]左东启等.模型实验的理论和方式[M].北京:
水利电力出版社.1984
[6]FishmanKL.LaboratoryStudyofSeismicFree-fieldResponseofSand[J].SoilDynamicsandEarthquakeEngineering,1995,14
(1):
33-43
[7]WhitmanRV,LambePC,KutterBL,InitialResultsfromaStackedRingApparatusforSimulationofaSoilproFile[A].In:
Proc.Conf.onRecentAdavancesinGetchnicalEarthquakeEngineeringandSoilDynamics,Vol.Ⅲ,361-366,1981,UniversityofMissouri-Rolla,Rolla,MO.
[8]HushmandB,ScottRF,Crouse.CentrifugeLiquefactionTestsinaLaminarBox[J].Geotechnique,1988,
(2):
253-262
[9]WhitmanRV,KlapperichH.ModelTestsforEarthquakeSimulationofGeotechnicalProblems[A].In:
CakmakASeds,SoilDynamicsandLiquefaction:
1987
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 地铁 车站 结构 振动 模型 实验 研究