文摘
本文进行了振动台试验,研究大跨度的地震响应和无列upper-soft地铁站和lower-hard地层。土壤结构的加速度和动态土压力和应变响应地铁站的获取和分析。结果表明合理的测试设计的边界效应消除。结构的地震响应和土壤变得更加严重的输入运动的加速度振幅增加。指出可能的剪切破坏土壤和不可逆的塑性变形的结构可能发生在测试进行。软粘土有更大的影响比人造岩石结构。模型结构,支持区域的拉伸应变振幅比在中跨地区。支持区域的屋顶板,侧墙,中间板的脆弱的组件模型结构在地震。
1。介绍
提高空间利用率的优点和建筑美学,一种新型的地铁站,大跨度无列地铁站,是建在广州地铁11号线为更好的服务和更舒适的旅行。大跨度无列地铁站有平台宽度大于10米,公共区域的列的消除,为乘客提供更多的空间和视觉享受。然而,随着大跨度和无列地铁车站建在复合地层的上部软区和低硬区(如图1),空间站的侧向位移可能比单一地层,这是一个巨大的威胁到车站在地震。因此,站在复合地层的抗震性能仍不确定。此外,现有的研究类型的地铁站是罕见的,和设计标准远未满足施工要求。因此,这样一个大跨度的抗震性能和无列地铁车站需要更多的关注。
(一)
(b)
的崩溃Daikai地铁站在阪神大地震(1)连接更多地关注地下结构的抗震性能。从那时起,一系列的离心机和振动台试验进行了解地下的地铁站的抗震能力和损伤机制。他et al。2)提出了一种三级明沟隧道抗震设计方法基于振动台测试地铁隧道和数值分析。Iwatate et al。3,4)进行了几个振动台测试地下地铁站。它声称Daikai地铁站周围土壤的水平剪切力严重受损,引起的崩溃和剪切破坏后列对屋面板的破坏。Ohtomo et al。5,6地下钢筋混凝土结构)进行振动台试验,认为周围的土壤的变形控制地下结构的变形。此外,通过振动台试验在地下结构对液化的基础上,日本酱油和Towhata7]证实可液化foundation-underground结构体系的地震响应大大受自然影响网站和地下结构的振动周期以及回填土的膨胀性。格瓦拉et al。8]在埋涵洞进行了振动台试验,发现涵在很大程度上是受到侧向土压力在地震中。苔藓和Crosariol9)进行了一系列振动台试验的基础上,隧道在旧金山海湾地区快速运输系统,试验结果与数值分析结果相比,认为现有的设计方法高估了货架软soil-rigid结构的扭曲。
此外,振动台测试不同类型的地铁站和软或土壤液化的网站进行全面了解地铁站的抗震性能。陈等人。10- - - - - -14]在三层进行了振动台测试站和箱梁three-arch-type站在软或液化的基础。这些电台的破坏机理和破坏过程在软或液化的基础是系统显示。此外,宏观现象在地震中被完全复制,如沙涌、表面裂纹在地上,隆起的地铁站。道等。15,16)进行了振动台试验在两层双跨度站Y形柱双层站和研究浅埋地铁车站的地震响应。陈等人。17]调查pulse-like地面运动的影响在一个多层地铁站通过振动台试验,提出中央列有一个很大的层高是多层地铁站的脆弱的组件。壮族et al。18,19]研究大型地下结构的地震响应可液化土埋在柔软的或通过振动台试验,得出软或液化的土壤和地铁站彼此互动。秦和Chouw20.)进行了模型试验的影响structure-footing-soil交互结构的干砂和饱和土壤和发现主震和余震相当不同的结构对反应的影响。马等。21)提出了一个减振方法地铁站在松软的地面车站和周围结构的动态响应。
尽管许多对地铁站进行振动台测试,模型试验对大跨度和无列地铁站尚未进行。此外,振动台测试地铁站复合地层中是罕见的。因此,本文进行了振动台试验在大跨度无列地铁车站在upper-soft和lower-hard复合地层了解车站的抗震性能。实验装置和测试设计解释道。然后,测试结果进行了分析,包括加速度、动态土压力和应变响应。
2。实验装置
2.1。振动台
测试是使用摇表进行设施在亚热带建筑科学国家重点实验室,华南理工大学。表可以输入与六个自由度的三维运动。振动台由一个4米×4米平台能够携带的最大负载20吨。工作频率范围从0.1到50赫兹。振动台振动最大水平加速度为1.0 g和1.0 g的最大垂直加速度。
2.2。模型箱
减少土壤框效果,层流剪切盒设计在该测试中,如图2,这是一个水平层剪切盒的净尺寸长3.2米,宽2.0米,高1.4米,总重3.5吨。层流剪切盒由11个水平矩形空心钢管层,一个横截面的120毫米×60毫米,壁厚4毫米。通过4层连接滚子轴承直径80毫米,和它们之间的间隙是10毫米。相对于另一个层可以根据土壤内部的变形。
为了防止大变形的底板层流盒子在吊装过程中,短边三角形加劲肋成立增强底板的刚度。两方面面临振动方向平行,两个套件帧,每个由两个正直的列和交叉形空心钢管、安装限制变形的土壤和框垂直震动的方向。每一列联系通过滚子轴承箱,减少列和盒子之间的摩擦。此外,轴承可以被精确调整限制盒子的变形。两方面面临着垂直于方向晃动,两组的固定轴分别设置在顶部和底部的盒子,一个thickness-adjustable钢板可以嵌入避免弯曲变形和土壤。
2.3。仪表
研究结构的动力响应和动态土壤结构相互作用,32个加速度计,46应变仪,土壤和12压力表被用于这个测试。产生的加速度计是TLD393B04 PCB Piezotronics, Inc .的灵敏度(±10%)1000 mV / g,±5 g·pk的测量范围,频率范围的(0.06±5%)到450赫兹。应变仪是strip-like单轴应变仪和一个8毫米的长度。土压力计是全桥传感器直径25毫米,7毫米的厚度,和50 kPa的测量范围。64个频道的数据采集仪器是由DEWETRON,和应变的采样率和加速度计采集中使用这个测试是500赫兹。
3所示。测试设计
3.1。相似配给
原型结构是大跨度无列地铁车站的高度14.41米,宽度22.70米。有限的规模和振动台的承载能力,采用模型结构的测试。可能确保模型结构反映了原型结构的动态性能,模型的相似定量结构,包括几何形状、材料性质、和动态特性,应该确定。然而,很难让所有的参数满足规模因素的结构和复合地基。
,规模因素的弹性模量、几何、和加速度首次确定基本参数,而其他参数的规模因素可以从三个基本参数推导出根据白金汉法(22]。根据摇床的尺寸,几何比例因子设置为1/30。弹性模量比例因子是1/4,加速规模因素是1。列出了模型结构的规模因素表1。
3.2。模型结构
呈现非线性钢筋混凝土的力学性能实验测试,microconcrete和镀锌钢线被用作结构材料。microconcrete包括粗和细骨料,也就是说,砾石的粒径2.5毫米∼5.0毫米和沙粒径为0.315毫米∼2.5毫米。根据比例因子,microconcrete决心的混合比例。同时,microconcrete测量的属性通过一系列的材料测试,以及弹性模量的比例因子调整根据材料测试的结果。microconcrete的混合比例和机械性能表中列出2。
原型站平台宽13米,列是免费的。根据几何比例因子,确定模型的维度结构,如图3。考虑层流框垂直震动的宽度方向,确定模型结构的长度是1500毫米。模型结构与一个8毫米厚的有机玻璃密封板防止土壤进入模型,这困在边缘的模型结构与热融化,与玻璃胶固定在孔通过连接导线。
(一)
(b)
重力和惯性效应模型的结构按照原型的结构,额外的人工质量均匀分布在两个故事的模型结构采用铁块,每个都有一个标准的2.5千克的质量。此外,每一块是固定用热融化防止块滑动模型结构和冲击传感器。
基于原型结构的加固和等效弹性模量的原则,确定模型的钢筋结构,如图4。有三个模型中使用的镀锌钢丝直径结构,Φ1,Φ2,Φ2.6。抗拉屈服强度和弹性模量的镀锌钢丝165 MPa和1.21×105MPa,分别根据材料测试(图5)。
(一)
(b)
(c)
(d)
3.3。土壤模型
土壤的重力比例因子是忽略了在这个测试。土壤模型简化为两层是基于实际的地质条件。顶层是软粘土,底层是人造岩石,厚度0.65米和0.58米,分别。布局模型的土壤图所示6。
顶层是现场使用的粘土在广州,而人造岩石材料在底层被人为地准备与石英砂、重晶石粉、水、石膏,甘油,质量比率为28.1%,46.5%,15.7%,8.8%,和0.9%,分别。粘土的力学参数和人工岩石材料是通过土壤力学测试(如图7),表中列出3。在此,人造岩石材料的弹性模量大约是6倍的粘土。
(一)
(b)
人造岩石材料在实验室环境下迅速而均匀地混合并存入层流盒一层一层地,后来保持48小时达到所需的机械性能。然后,上面的软粘土被人造岩石一层一层地。每层压实厚度15 - 20厘米。完成灌装过程后,粘土固化了大约20个小时,以确保土壤参数是一致的。
3.4。传感器的布局
根据以往的结构地震响应的数值分析,观察飞机被放置在中间的模型结构来收集数据。收集的数据包括模型结构和土壤的加速度、应变模型的结构和动态模型结构的侧壁土压力。
提出了图8,加速度计A1-A13被研究土壤中地震波的传播和A14-A16放置记录地铁结构的动态响应。如图9,应变仪S1-S14和土压力仪表P1-P6固定在地铁结构。
3.5。测试用例
选择三种典型地面运动调查不同的地震波在地铁结构的影响,包括来自日本的神户地面运动,埃尔森特罗的地面运动来自美国,和广州人工波。加速时间历史和傅里叶光谱的三个记录呈现在图10。
(一)
(b)
(c)
振动方向平行于横截面模型的结构。白噪声是输入探索模型的动态特性差异结构固有频率和阻尼比等。地面运动扩展到6的水平,即0.1克,0.2克,0.3克,0.4克,0.6 g和0.8 g。表中列出的加载条件4。
4所示。测试结果和分析
4.1。边界效应验证
在地下结构的振动台试验,模型箱是用来模拟半无限地基。然而,地震波会反映在盒子的边界,导致抵消或覆盖地震波在实际响应测试和影响模型的结构和土壤。因此,边界效应模型的盒子需要验证。
图11介绍了时间的历史中的A5-A7和A11-A13小城地面运动为0.2 g加速度振幅。根据图11加速度时程曲线,加速度计A5-A7表现出同样的趋势。此外,A5-A7的高峰值是0.10克,0.11 g和0.11 g,分别几乎一样。从加速计A11-A13能找到类似的规则。因此,边界效应可能在测试中被淘汰。
(一)
(b)
此外,通过空模型上的白噪声测试盒子,盒子的固有频率为2.21赫兹。同时,structure-foundation模型系统的固有频率进行振动台试验大于6.5赫兹。盒子的固有频率之间的区别和structure-foundation模型系统表明,它们之间的共振响应是无关紧要的。
总体来看,可以得出的结论是,测试设计是合理的,结果是可靠的,揭示了模型结构的地震响应和土壤。
4.2。土壤模型的加速度响应
峰值加速度放大系数的定义和分析模型的加速度响应土壤和结构。它是通过模型的加速度峰值除以输入加速度振动台的振幅。
图12介绍了峰值加速度放大因素在模型中不同深度土壤情况下C6-C8;即输入地面运动的加速度幅值是0.10克。有不同峰值加速度放大系数在软粘土或人造岩石。埃尔森特罗的输入运动记录,峰值加速度放大系数下降从底部到顶部的人造岩石,而从底部到顶部增加软粘土。然而,对于科比的输入运动记录和广州人工波的峰值加速度放大系数模型中从底部到顶部增加土壤,达到1.349和1.214,分别观察更大的增量比人造软粘土岩。此外,由于丰富的低频成分的科比记录,响应模型的土壤更敏感科比下记录,导致最大峰值加速度放大系数下科比记录(如图12)。因为不同的过滤能力和滞回能量耗散模型的土壤,峰值加速度放大系数在不同土壤层次或在不同的地面运动也是不同的。
(一)
(b)
峰值加速度模型的土壤在不同深度下科比地面运动如图13。在所有情况下都观察放大效应。模型的地震反应土壤更暴力的加速度放大输入运动增加。此外,对于0.60克和0.80克的加速度放大,放大效应更明显,尤其是在软粘土。人们认为剪切破坏逐渐出现在模型中土壤随着测试的进行。
(一)
(b)
4.3。峰值加速度模型的结构
峰值加速度放大系数模型的结构如图14。峰值加速度放大系数与结构的高度增加,展现结构的放大效应在三个不同的地面运动。此外,对于科比的输入运动记录,峰值加速度放大系数略大于埃尔森特罗的记录和广州人工波的峰值加速度放大系数在埃尔森特罗的记录是最小的。上述现象显示输入运动的频谱特征的影响在模型结构的地震响应。如图10,科比的频率记录集中在低频范围内,因此是接近structure-foundation模型系统的固有频率,从而导致更严重的模型结构的地震响应。此外,与软粘土模型结构很容易变形,结构上的放大效应更明显比人造岩石埋在软粘土。
(一)
(b)
模型结构的峰值加速度下科比记录如图15。作为输入加速度振幅增加,模型结构的加速度峰值增加。相邻的加速度振幅之间的增量值增加。此外,如表所示5模型结构的固有频率降低随着测试的进行,显示刚度退化模型的结构。屋顶和中间板位于软粘土在底部板放置在人造岩石,屋面板的峰值加速度的增加是最大,其次是中间板和板底部,表明在软粘土变形比人造岩石的测试进展。
(一)
(b)
4.4。动态模型结构的土压力
之间的动态土压力模型结构和土壤测量通过压力表调查土壤结构的变化相互作用地震时的压力。图16描述了动态情况下的土压力振幅科比地面运动。动态土压力振幅增加输入运动的大小增加除了P1,和动态的“u形”分布土压力显然是观察。
(一)
(b)
此外,需要注意的是,不同土壤层次明显对土压力分布的影响。的转折点附近的压力分布是观察到P4土壤界面,动态土压力和最大振幅出现在模型结构的中间(P3)。一般来说,动态软粘土的土压力大于在人造岩石的不同土壤和结构之间的相对刚度。软土和结构之间的相对刚度大于人工岩石和结构之间。当遭受同样的地震振动更大的相对变形发生在软粘土和结构,导致一个更大的动态软粘土的土压力。
由于土壤的扰动在测试期间准确测量土压力和困难的一些动态土压力振幅图所示16有轻微的错误输入运动的振幅增加。然而,这些错误只发生在本地,因此并不影响动态土压力的分布规律。
4.5。地铁车站结构的应变响应
如图9,应变仪中跨和支持地区分布模型的结构以及在土壤界面区域调查的地铁站在地震中脆弱的组件。中跨的应变和应变的支持区域的结构组件,也就是说,总共10个区域,选择进行分析。图17介绍了strain-time历史的10个区域模型结构下科比的记录。峰值压力以及残余压力与输入加速度振幅增加,残余的菌株出现自输入加速度振幅大于0.30克。指出模型结构的不可逆的塑性变形发生。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
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(我)
(j)
(k)
随着混凝土结构通常受拉伸断裂,更多关注模型结构的拉伸应变。图18显示了拉伸应变振幅在不同区域的模型结构下科比的记录。因为某些错误发生的应变采集系统,以防C10,大应变误差出现在10大。因此,拉伸应变振幅情况下C10被忽视在图18。对于每个组件模型的结构,很明显,支持区域的拉伸应变振幅比在中跨地区。因为大跨度的支持区域和无列站熊更力随着跨度的增加大于常规站,导致一个更大的拉伸应变地震波在支持地区。然而,拉伸应变振幅中跨地区和支持地区几乎线性增加输入加速度振幅增加。然而,拉伸应变的增加幅度大于支持地区中跨地区,展现不可逆变形首先发生在支持地区。0.80 g的输入加速度振幅下,最大拉伸应变振幅为130.2με出现在屋面板区域的支持,其次是100年με出现在底部侧壁的支持区域。此外,拉伸应变支持地区的中间板也超过100με。表示,支持区域的屋顶板,侧墙,和中间板可能严重损害在地震期间,应该应用和加强措施。
(一)
(b)
(c)
(d)
5。结束语
进行振动台试验,研究大跨度的地震响应和无列地铁站upper-soft lower-hard复合地层。从加速度的测试数据,动态土压力和应变响应和分析,主要得出如下结论:(1)测试设计是合理的,因为消除边界效应和层流剪切盒之间的不同的自然频率和structure-foundation模型系统。测试的结果是可靠的,揭示了模型结构的地震响应和土壤。(2)模型结构的地震响应和土壤变得更加严重的输入运动的加速度振幅增加。此外,加速度的增加,动态土压力,和相邻例之间的压力变得更大了科比的记录,显示的剪切破坏土壤结构的、不可逆的塑性变形。(3)upper-soft和lower-hard复合地层的地震响应有很大的影响的模型结构和土壤。加速度响应,软粘土的放大效果更明显比人造岩石。此外,动态软粘土的土压力大于人工岩石,和动态的“u形”分布土压力显然是观察,展现更大的地铁结构变形软粘土。(4)对于每个组件模型的结构,支持区域的拉伸应变振幅比在中跨地区。支持区域的屋顶板,侧墙,中间板和大跨度的脆弱的组件和无列地铁车站地震时。因此,应加强措施申请这些脆弱的组件。
地铁站的地震响应在复合地层非常复杂,因为各种各样的不确定因素在不同土壤层次和土壤结构的相互作用。很难把所有的因素考虑的振动台试验。因此,进一步改进测试和数值分析应该在将来的研究中试图了解大跨度的抗震性能和无列地铁车站在复合地层。
数据可用性
振动台试验数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究得到了国家自然科学基金(批准号51678248和51678248)和亚热带建筑科学国家重点实验室,华南理工大学(批准号2017 kb15)。