超大型Y形柱地铁车站振动台试验研究

李积栋，陶连金，油新华，张金喜

(1. 中国建筑工程总公司技术中心，北京 101300;2. 北京工业大学，北京 100124)



超大型Y形柱地铁车站振动台试验研究

李积栋1,2，陶连金2，油新华1，张金喜2

(1. 中国建筑工程总公司技术中心，北京 101300;2. 北京工业大学，北京 100124)

以北京地铁新华大街站站为背景，开展大型Y形柱地铁车站结构振动台模型试验，研究并对比分析单/双层Y形柱地铁车站结构地震响应特点。结果表明：1)相同强度地震作用下，两种工况的加速度峰值变化规律大体相同，但双层工况中结构模型各测点的加速度峰值大于单层工况。2)当结构模型中部存在中板时，结构模型在地震荷载作用下的应变分布规律发生较大改变，使得单层Y形柱结构模型的应变幅值与双层Y形柱结构模型的应变幅值相差很大，其中Y形柱结构尤为突出。

Y形柱；地铁车站；地震响应；振动台；结构模型

随着地铁的发展和地铁施工技术的日渐成熟，对车站和区间隧道断面结构形式及结构特色提出了新的要求[1-3]。在地下结构设计中将会陆续出现具有大跨度，高断面，宽柱距、异形柱等各种特色的结构形式，其体量大、结构形式美观，以满足人们对城市地下结构实用性、美观等多方位的需求。然而，地下工程震害表明，在发生强震时，结构周围土体的变形很大，导致结构的薄弱部位(如施工缝，中柱等)发生严重损伤[4-6]。普遍认为，这种大型复杂的断面结构形式较普通的断面结构，其在强震作用下结构更易发生弹塑性破坏，出现多种不稳定因素[7-9]。目前，这种超大型复杂地铁车站结构的抗震性能研究较少，周龙壮等[10]基于Y形柱地铁车站，对钢管混凝土Y形柱及混凝土平台结构进行了抗震性能试验，李积栋等[11-12]通过振动台试验和数值计算，分析了水平地震和竖向地震作用下Y形柱地铁车站的地震响应规律。本文以北京6号线地铁新华大街站为工程背景，开展超大型Y形柱地铁车站结构振动台试验，对超大型Y形柱地铁车站结构的地震响应进行研究，对比分析单层Y形柱车站与双层Y形柱车站地震响应的差异性。

1　工程背景

新华大街站位于新华东街北侧，滨河北路西侧160 m，为6号线快慢线中转换乘站，双层双岛四线式车站，埋深约3.5 m，远期与S6线换乘。车站总长为473 m，分为设备区、公共区和换乘节点3部分，其中公共区采用Y形柱受力体系，局部中板打开形成中庭效果，结构宽度为40.7～41.9 m，高度18.8～28.8 m。Y形柱部分3种形式，一种为换乘节点部分Y形柱体系，一种为Y形柱带中板断面，一种为Y形柱中厅断面(不设置中板)。Y形柱上部分为Y型铸钢件，下部分为Φ1 200圆管柱，钢管及铸钢件内部采用C50微膨胀自密实混凝土填充。Y形柱地铁车站效果图，如图1所示。

图1　Y形柱地铁车站效果图Fig.1 Working sketches of subway station with Y-shape column

2　试验设计

2.1振动台及模型箱

试验采用美国MTS公司生产的电液伺服驱动地震模拟振动台，其台面尺寸3.0 m×3.0 m，自重10 t，最大承载重为10 t，水平单向激振，频率范围为 0.1～50 Hz，台面最大位移±127 mm。模型箱采用矩形悬挂式柔性剪切模型箱，容积为2.5 m×1.5 m×1.1 m，如图2所示。

图2　矩形悬挂式层状柔性剪切型Fig.2 Rectangle suspension laminar shear model box

2.2模型试验相似比

结合振动台性能、模型箱尺寸及仪器设备等确定相关参数，确定模型与原型以几何相似比1∶50，质量密度相似比1∶1及弹性模量相似比1∶4为基础相似比。

2.3车站结构模型

根据原型地铁车站结构尺寸和结构特点以及设计试验相似比的要求，并对原型结构进行了简化处理，最终确定模型试验尺寸。Y形柱地铁车站结构模型，长1 075 mm，宽838 mm，高386 mm，顶板厚28 mm，底板厚32 mm，边墙厚30 mm，Y形柱横截面直径为24 mm，间距为180 mm，双层Y形柱结构模型是在单层结构中施做距离车站底板约为150 mm间距180 mm中隔板。单层Y形柱地铁车站结构剖面图见图3。

图3　单层Y形柱地铁车站结构剖面图Fig.3 Cross-section of subway station with Y-shape column

借鉴以往的振动台结构模型研究成果，采用标号为C8的微粒混凝土和镀锌钢丝分别模拟车站结构混凝土和配筋。Y形柱结构选取外径24 mm，壁厚1.5 mm的钢管焊接而成，并在钢管内灌注C8微粒混凝土，模拟钢管柱。Y形柱车站结构模型如图4所示。微粒混凝土试块的平均抗压强度和平均弹性模量分别3.17 MPa和6.93 GPa。

(a)单层Y形柱结构模型； (b)双层Y形柱结构模型图4　地铁车站结构模型Fig.4 Model of subway station

2.4模型土体

模型土体选用北京地铁6号线二期新华大街地铁车站施工基坑中埋深为13～15 m的粉细砂，试验前需去除土体中的杂质和较大土颗粒。

根据已有的振动台试验经验，本试验采用分层夯实法和静压法相结合制备模型土。模型土体的平均含水率为7.970%，平均密度为16.416 kN/m3。

2.5地震波加载方案

本试验拟采用Kobe波和新华大街站作为振动台输入地震波。Kobe波为1995年日本阪神地震中神户海洋气象台记录的强震加速度记录，取南北向的加速度记录作为振动台输入波，加速度峰值为-817.061 cm/s2，地震波持时50 s，其中强震部分持续约10 s，主频范围约为0～5 Hz。新华大街站人工波也是通过数值模拟的方法合成的地震动时程，作为该场地土层地震动力反应分析的地震动输入值，加速度峰值156.389 2 cm/s2，持续时间为40 s，主频范围约为0～6 Hz。地震波加速度时程曲线及傅氏谱如图5所示，超大型Y形柱地铁车站结构振动台试验地震波加载工况见表1。

(a)Kobe波加速度时程曲线及傅氏谱；(b)新华大街站人工地震波加速度时程曲线及傅氏谱图5　地震波加速度时程曲线及傅氏谱Fig.5 Acceleration time-histories and Fourier spectra of bedrock ground motion

Table 1 Seismic loading scheme for station with Y-shape column

序号输入波类型加载编号输入方向峰值加速度/g1白噪音FB1水平0.12人工波FX1水平3kobe波FK1水平0.34白噪音FB2水平0.15人工波FX2水平6kobe波FK2水平0.67白噪音FB3水平0.18人工波FX3水平9kobe波FK3水平1.010白噪音FB4水平0.111人工波FX4水平12kobe波FK4水平1.4

2.6试验工况设计

本试验的主要研究内容包括自由场模型土体的动力特性、典型单层三跨地铁车站地震响应、密贴交叉组合地铁车站结构地震响应(包括近远场地震作用)、不同空间交叉组合车站结构的地震响应规律(不同净距、不同交叉角度)、超大型Y形柱地铁车站结构地震响应规律(单层、双层)。本试验共分了2个工况，见表2。

表2　工况设计Table 2 Condition design

2.7传感器布置

根据试验目的确定所需传感器有加速度传感器、拉线式位移传感器、应变片以及土压力传感器。传感器布置如图6～7所示。

图6　非自由场工况加速度传感器布置Fig.6 Accelerometer arrangement of Y(S)condtion

(a)Y形柱结构模型加速度传感器布置;(b)Y形柱结构模型应变片布置图7　超大型Y形柱结构模型传感器布置Fig.7 Sensors location inside structure with Y-shape column

3　试验结果分析

3.1加速度对比分析

2种工况下，Y形柱结构各测点的加速度峰值对比，如图8所示。由图8可知，S工况中Y形状结构各测点的加速度峰值大于Y工况，其变化幅度随着输入地震波强度的增加呈先减小后增大的趋势。其中，不同强度地震波作用下，测点YA5的加速度变化幅度最大，测点YA6的加速度变化幅度最小。

表32种工况边墙加速度峰值的变化率

Table 3 Ratio of peak acceleration in the sidewall between two conditions

%

注：变化率=(aS-aY)/ aY

3.2应变反应分析

S工况中边墙结构和Y形柱结构上各测点的应变幅值对比，如图9所示。结构模型各测点的应变幅值随着输入地震波强度的增加而增大，但与Y工况相比较，S工况中结构模型各处测点应变幅值的变化规律相差很大。

图8　FK3工况Y形柱结构加速度峰值对比Fig.8 Peaking acceleration comparison of Y-shape column in FK3 condition

(a)FK1工况;(b)FK3工况图9　不同工况结构模型的应变幅值Fig.9 Strain amplitude of structure in different conditions

S工况中边墙结构底部测点S4的应变幅值最大，顶部测点S1次之，这与单层工况边墙应变的变化规律恰好相反。

2种工况中，Y形柱结构上应变幅值的差异性主要集中在测点Y6和Y7。S工况中测点Y6和Y7应变幅值的变化规律与Y工况相反，测点Y1的应变幅值小于Y3，则也与Y工况相反。然而，造成以上应变幅值变化规律与Y工况不同的主要原因是由于在结构模型中部添加了中隔板，使得结构模型在地震作用下的应变分布情况发生改变。

由图9可知，同一测点在2种工况中的应变幅值相差很大。经分析可得到如下规律：

2种工况中，Y形柱结构底部测点应变幅值的变化幅度较大，其中测点Y7应变幅值增加的幅度最大，S-FK1工况是Y-FK1工况的3.0倍，S-FK3工况是Y-FK3工况的3.2倍。测点Y6应变幅值减小的幅度最大，S-FK1工况是Y-FK1工况的72.34%，S-FK3工况是Y-FK3工况的63.16%，。

Y形柱结构上部测点的应变幅值变化幅度相对较小，其中测点Y3应变幅值的变化幅度最小，不同工况下，测点Y3应变幅值的变化幅度范围在4.35%～11.11%之间。

不同地震波作用下，边墙结构测点的应变幅值对比，如图10所示。

S工况中边墙结构顶部测点S1的应变幅值小于Y工况，其减小的幅度随着输入地震波强度的增加先增大后减小，其中FK2工况中，测点S1应变幅值减小的幅度最大，为52.30%。

(a)测点S1的应变幅值对比;(b)测点S4的应变幅值对比图10　Kobe波作用下边墙测点的应变幅值对比Fig.10 Strain amplitude comparison between two conditions under Kobe wave

S工况中边墙结构底部测点S4的应变幅值大于Y工况，其增加的幅度随着输入地震波强度的增加先减小后增大，其中FK1工况中，测点S4应变幅值增加的幅度最大，增大了2.12倍。

4　结论

1)相同强度地震作用下，2种工况的加速度峰值变化规律大体相同，但双层工况中结构模型各测点的加速度峰值大于Y工况。

2)2工况中Y形柱结构的应变幅值分布规律相差很大，其中底部测点应变幅值的差异性较大，顶部应变幅值的差异性相对较小，应变幅值的差异性主要集中在测点Y6和Y7，在S工况中测点Y6和Y7应变幅值的变化规律与Y工况相反，测点Y1的应变幅值小于测点Y3，测点S1的应变幅值小于测点S4，均也与Y工况相反。

3)单/双层Y形柱地铁车站结构抗震性良好，但由于双层Y形柱车站结构抗震性能优于单层车站结构，建议在此类大跨度异性柱地铁车站设计时，可在结构中部添加中隔板，提高车站结构的整体抗震性能。

[1] 陶连金, 王沛霖, 边金. 典型地铁车站结构振动台模型试验[J]. 北京工业大学学报, 2006, 32(9): 798-801.TAO Lianjin, WANG Peilin, BIAN Jin. A shaking table test method on the representative subway station structure[J]. Journal of Beijing Polytechnic University, 2006, 32(9): 798-801.

[2] 曹炳政，罗奇峰，马硕，等. 神户大开地铁车站的地震反应分析[J]. 地震工程与工程振动,2002,22(4): 102-107.CAO Bingzheng, LUO Qifeng, MA Shuo, et al. Seismic response analysis of Dakai subway station in Hyogo ken-nanbu earthquake[J].Earthquake Engineering and Engineering Vibration,2002,22(4): 102-107.

[3] 庄海洋，程绍革，陈国兴. 阪神地震中大开地铁车站震害机制数值仿真分析[J]. 岩土力学,2008，29(1): 245-250.

ZHUANG Haiyang, CHENG Shaoge, CHEN Guoxing. Numerical simulation and analysis of earthquake damages of Dakai metro station caused by Kobe earthquake[J]. Rock and Soil Mechanics, 2008,29(1): 245-250.

[4] 还毅，方秦，陈力，等. 强震作用下地铁车站结构损伤破坏的三维非线性动力分析[J].北京工业大学学报,2011,37(6): 852-862.

HUAN Yi, FANG Qin, CHEN Li, et al. 3D Nonlinear damage analysis of metro-station structures under strong seismic loading[J]. Journal of Beijing University of Technology, 2011, 37(6): 852-862.

[5] Takeyasn Suzuki. Damages of urban tunnels due to the southern Hyogo Earthquake of January 17,1995 and the evaluation of Seismic Isolation Effect[C]//Paper No. 540, Proceeding of 11thWCEE. Mexico,1996.

[6] 陈磊，陈国兴，陈苏，等. 三拱立柱式地铁地下车站结构三维精细化非线性地震反应分析[J].铁道学报,2012, 34(11): 100-107.

CHEN Lei, CHEN Guoxing, CHEN Su, et al.3D refined nonlinear analysis on seismic responses of three-arch and two-column subway station structure[J]. Journal of the China Railway Society,2012, 34(11): 100-107.

[7] 陈健云，胡志强，林皋.大型地下结构三维地震响应特点研究[J]. 大连理工大学学报, 2003,43(3): 344-348.CHEN Jianyun, HU Zhiqiang, LIN Gao. Study of 3-Dseismic response characteristics of large underground structures[J].Journal of Dalian University of Technology, 2003,43(3): 344-348.

[8] 王国波，马险峰，杨林德. 软土地铁车站结构及隧道的三维地震响应分析[J]. 岩土力学,2009(8): 2523-2528.WANG Guobo, MA Xianfeng, YANG Linde. Three imensional seismic response analysis of metro station structures and tunnels in soft soil[J]. Rock and Soil Mechanics，2009,30(8): 2523-2528.

[9] 车爱兰，岩楯敞广，葛修润. 关于地铁地震响应的模型振动试验及数值分析[J]. 岩土力学,2006,27(8): 1293-1298. CHE Ailan, IWATATE Takahiro, GE Xiurun. Dynamic behaviors of subway structure subjected to strong earthquake motions using shaking table tests and dynamic analyses[J]. Rock and Soil Mechanics，2010,27(11): 114-121.

[10] 周龙壮，高向宇，陈娟. 钢管混凝土 Y 形柱及混凝土平台结构抗震性能试验.建筑结构，2015,45(3):31-38.ZHOU Longzhuang，GAO Xiangyu，CHEN Juan. Experimental study on seismic behavior of Y-shaped concrete-filled steel tubular column and reinforced concrete platform structure [J]. Building Structure, 2015,45(3):31-38.

[11] 李积栋，陶连金，安军海，等.超浅埋大跨度Y形柱双层地铁车站三维地震响应分析[J].中南大学学报(自然科学版),2015,46(2):653-660.

LI Jidong, TAO Lianjin, AN Junhai, et al. Analysis of 3D seismic response of super-shallow and large-span Y-shaped column double-layer subway station[J]. Journal of Central South University (Science and Technology) ,2015,46(2):653-660.

[12] 陶连金，吴秉林，李积栋，等. Y形柱双层地铁车站振动台试验研究[J].铁道建筑，2014(9):36-40.

TAO Lianjin,WU Binglin，LI Jidong,et al.Research on shaking table test of double-layer subway station[J]. Railway Engineering, 2014(9):36-40.

Research on shaking table test of ultra-large subway station with Y-shape column

LI Jidong1,2，TAO Lianjin2，YOU Xinhua1， ZHANG Xinxi2

(1. China State Construction Engineering Corporation Technology Center，Beijing 101300，China;2 .Beijing University of Technology， Beijing 100124，China)

The shaking table test of the ultra-large subway station structure with Y-shape column taking Xinhua street station in Beijing metro as background is carried out, and research on the seismic response of single and double Y-shape column subway station structure is achieved. The results show that, 1)The change rule of acceleration peak is similar in same seismic intensity, while the acceleration peak of double condition is larger than the single layer condition; 2)once a middle plate is added to the station structure, the distribution regularities of strain changed significantly under earthquake action. It will lead to the strain amplitude of single Y-shape column station structure become different with that of double Y-shape column station structure，especially Y-shape column structure.Key words：Y-shaped column; subway station; seismic response; shaking table; structure model

2015-12-24

国家自然科学基金面上项目(41242337)

李积栋(1987-)，男，山东东营人，博士，从事岩土与地下工程的研究；E-mail：ljd0911@emails.bjut.edu.cn

TU435

A

1672-7029(2016)10-2027-06