ECC-BFRP加固地铁车站抗震性能研究

2023-01-16彭晓黄晓斌阙海群陈轩

地震工程与工程振动 2022年6期

彭晓，黄晓斌，阙海群，陈轩

（1.南昌市城市规划设计研究总院，江西南昌 330038.2.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安 710055；3.西安建筑科技大学结构工程与抗震教育部重点实验室，陕西西安 710055；4.陕西省岩土与地下空间工程重点实验室，陕西西安 710055）

引言

随着城市建设的不断发展，地面空间和交通问题已成为制约城市发展的关键因素，建立快速的地下交通体系已成为解决该问题的有效途径。其中，地铁工程以其快速、高效、清洁的优势，在世界范围内各大城市交通中发挥着不可替代的作用。地铁车站是地下轨道交通的重要节点，是保障城市运行的生命线工程［1－2］。已有震害表明［3－4］：地铁车站等地下结构一旦遭受地震破坏，将会给地震应急和震后修复工作带来极大的困难。因此，如何提升高烈度地区地铁车站的抗震性能是亟需解决的难题。

近年来，国内外学者开展了不同场地地铁车站的振动台及数值模拟研究，揭示了各类场地中地铁车站的地震反应规律。刘晶波等［5］、凌道盛等［6］、庄海洋等［7］依次开展了可液化地基上单层三跨地铁车站、单层双跨地铁车站、双层三跨地铁车站振动台模型试验，研究了可液化场地地铁车站的地震反应规律，并认为中柱是地铁车站的薄弱构件。Iwatate等［8］和杜修力等［9］针对大开地铁车站的地震破坏原因进行了深入研究，发现上覆土体自重和竖向地震作用增大了中柱轴压比，使中柱承受了较多的水平荷载作用；而中柱抗震性能不足，中柱和侧墙无法达到变形协调，从而导致大开车站发生坍塌破坏。

根据上述分析可知，中柱的变形能力是影响地铁车站抗震性能的主要因素。已有的中柱加固方式多为约束混凝土柱［10］，其约束层通常采用混凝土、钢和纤维增强符合材料（FRP）等。其中，与钢约束层相比，混凝土约束层具有成本低、防火性能好等优点；而钢约束层的耐久性和塑性变形性能远优于混凝土，因而长期以来也得到了广泛应用，但在火灾和潮湿环境中的性能较差。在前期研究中发现［11］，ECC-FRP是一种高效的加固方式，具有较好的稳定性和耐火性。其中纤维增强复合材料（fiber reinforced polymer，FRP）具有轻质高强、抗腐蚀和耐久性好等优点，已成为结构加固工程中的重要材料；而工程水泥基复合材料（ECC）是一种高延性、高耐久的纤维增强水泥基复合材料［12］，将其作为FRP的基质材料可以有效阻止劈裂裂缝的产生，且两者具有较好的协同变形能力。此外，FRP以纤维编织网的形式与ECC结合提升了两者之间的黏结性能，使加固构件的承载力和延性均有所提高［13］。

鉴于此，文中以西安黄土场地为背景，以常见的框架式地铁车站为研究对象，将玄武岩纤维编织网（BFRP）-ECC应用于加固车站中柱。通过对比分析加固前后车站的地震反应变化趋势，探究BFRP-ECC加固后地铁车站的抗震性能。研究成果可为地铁车站结构抗震加固设计提供重要参考。

1 工程概况

西安康复路地铁车站为典型的2层双跨矩形断面结构，车站宽度为20.5 m，高度为13.21 m，侧墙厚0.6 m，顶板、中板和底板厚度分别为0.8、0.4、0.9 mm。主体结构采用C40混凝土，地铁车站的横截面信息见图1。

图1 康复路车站结构横断面图（单位：mm）Fig.1 Cross-section of Kangfulu subway station（Unit：mm）

为对比ECC-FRP材料与其他加固材料对车站加固效果的差异，设计了4种不同加固措施，即水泥砂浆（Mortar）加固、纤维编织网－水泥砂浆复合层加固（Mortar-BFRP）、ECC单层加固以及ECC-BFRP措施。图2为采用加固措施的地铁车站中柱示意图。其中，未加固中柱的横截面尺寸为1 000 mm×800 mm（长×宽），外包核心混凝土最小厚度为56.7 mm，采用单层间距为25 mm的纤维编织网，并将其放置在加固层的中间位置。

图2 采用加固措施的中柱示意图（单位：mm）Fig.2 Diagram of central column with reinforcement measures（Unit：mm）

ECC由普通硅酸盐水泥、粉煤灰、细砂、PVA纤维和水按一定比例配制而成，其配合比见表1。测得ECC的抗压强度和密度为65 MPa和2 107 kg/m3。其中，细砂由当地供应商提供，最大粒径不大于0.5 mm；加入适量的粉煤灰可以明显改善材料的流动性；为了提高ECC材料的延展性，加入体积掺量为2%的PVA纤维。砂浆强度为46 MPa，密度为2 096.3 kg/m3。采用双向BFRP网格，其网格间距为25 mm，如图2所示。BFRP网格的密度和拉伸强度分别为120 g/m2和658.7 MPa。

表1 ECC配合比Table 1 Mix proportion of ECC

2 数值分析模型

2.1 有限元模型的建立

利用有限元分析软件Abaqus，建立考虑土与结构共同作用的地铁车站数值计算模型。模型尺寸为103 m×56 m，其中土体模型采用实体单元来模拟，土体网格尺寸控制在1/4波长范围内［9］。为简化分析，计算时将土体进行了等效均一化处理，该做法已普遍应用于各类地下结构动力反应研究中［14］。地铁车站混凝土和钢筋分别采用实体单元和桁架单元来模拟，并且将钢筋嵌入混凝土中，并假定钢筋不发生脱离。针对土与地铁车站之间接触问题，法向设置为硬接触，切向则采用摩擦接触，摩擦系数为0.4。有限元模型如图3所示。

图3 有限元模型Fig.3 Finite element model

文中采用混凝土塑性损伤模型模拟混凝土和ECC的非线性行为［15］，钢筋本构关系采用理想弹塑性模型。BFRP网格是一种线弹性材料，当BFRP网格所受应力大于其拉伸强度时，即认为BFRP网格发生断裂破坏。场地土材料本构模型参考由Manzari等［16］，费康等［17］，熊仲明等［18］修正的边界面模型，该模型能较好地模拟土体在动力循环荷载作用下产生的塑性累计变形。该本构模型的屈服面方程如式（1）所示，土体参数如表2所示。

表2 场地土材料参数Table 2 Material parameters of site soil

式中：和为真实应力点在边界面上的映像点所对应的偏应力张量及平均应力；M为材料参数；p0为边界面与p轴的交点，反映了边界的大小。

本次模拟分析采用粘弹性人工边界来等效无限边界，即通过在结点上设置沿3个坐标轴方向的弹簧和阻尼元件来实现［19］。人工边界结点处法向和切向弹簧刚度和阻尼系数为：

式中：KBN和KBT分别为人工边界弹簧法向与切向刚度；CBN和CBT分别为人工边界阻尼器法向与切向的阻尼系数；aN与aT分别为法向与切向修正系数；G为介质剪切模量；AB为边界节点的影响面积；R为波源至人工边界点的距离；ρ为介质质量密度；cp和cs分别为P波和S波波速；G为介质剪切模量；ρ为介质质量密度。文中采用文献［20］所推荐使用范围并经过数值计算分析设置aN与aT分别为1.2和0.7。

2.2 地震动参数

本次研究采用江油波作为地震输入波，加载波的加速度时程曲线及傅里叶频谱曲线见图4。已有研究表明［21］，竖向地震作用效应对地下结构地震破坏的影响显著且不可忽视。根据《地下结构抗震设计标准》（GBT51336－2018）有关规定［22］，考虑竖向地震作用激励时，水平X向的峰值加速度与竖向（Z向）峰值加速度的比值应满足1：0.65。此外，由于地铁车站结构横向刚度远小于纵向刚度，车站地震反应随着水平地震波输入方向与地下结构纵向夹角的增大而增大，其两者呈90°夹角时车站地震反应最为强烈。因此，地震动输入方向是地震波自右下方以与侧向边界形成角度α斜入射至计算区域（地震动始终垂直于车站结构纵向），通过在土体底部和侧向的粘弹性边界上施加节点力进行地震力的输入［20］。需要注意的是本次分析未考虑平行于车站纵向水平地震作用的影响，地震动的振动方向是沿车站结构横向的水平振动作用+竖向振动作用。

图4 江油地震波Fig.4 Jiangyou seismic wave

2.3 模型验证

为验证基于本次边界设置和地震输入方法的合理性，文中比较了自由边界和粘弹性边界计算结果。其中，自由边界是以地铁车站的横向和纵向边界向外延伸10 W和10 L（W和L分别为车站的横向和纵向长度）；通过土体底部输入加速度时程来实现地震激励输入［23］；这种边界可真实模拟实际工况［24］，但是计算量非常大，影响计算效率。为保证计算精度并提高计算效率，将粘弹性边界设置在土体侧向和底部边界上，顶部边界设置为自由边界。图5给出了本次粘弹性边界条件与自由边界条件下模型车站顶层的加速度时程曲线。由图可知，基于粘弹性边界的计算结果与自由边界结果几乎一致，说明基于文中的边界条件和地震输入方式可以用于地下结构的地震反应研究。

图5 2种模型车站顶层加速度响应比较Fig.5 Comparison of the acceleration responses of two models at the top floor

3 计算结果及分析

3.1 层间位移角

表3为采用不同加固措施的地铁车站结构的最大层间位移角。当输入峰值加速度为0.1 g时，采用Mortar加固、Mortar-BFRP加固、ECC加固和ECC-BFRP加固的车站最大层间位移均发生在底层，分别比未加固结构减小了2.5%、4.3%、8.9%和10.1%。其中，采用ECC作为加固层时的层间位移小于采用水泥砂浆作为加固层时，而当这2种材料分别加入BFRP后的层间位移变化幅度不大。

表3 加固前后地铁车站的最大层间位移角Table 3 The maximum inter-story drift ratios of subway stations with and without reinforcement measures

当输入峰值加速度为0.2 g时，采用Mortar加固、Mortar-BFRP加固、ECC加固和ECC-BFRP加固的车站最大层间位移相较于未加固车站分别减小了11.2%、16.0%、29.5%和40.6%。这说明随着输入峰值加速度的增大，不同措施下的车站层间位移反应差异性开始体现出来。其中，采用ECC作为加固层时的层间位移小于采用水泥砂浆作为加固层时；并且在ECC加固层中加入BFRP后，可以明显减小层间位移反应，而在水泥砂浆加固层加入BFRP后，减小幅度有限。

当输入峰值加速度增大至0.4 g时，各措施下的车站层间位移反应差异更加显著。采用ECC-BFRP作为加固层时，车站层间位移反应减小趋势最为显著，与原结构相比，减小了56.4 %；而采用Mortar加固、Mortar－BFRP加固、ECC加固时，减小幅度分别为18.1%、24.5%和35.5%。

此外，采用Mortar加固、Mortar－BFRP加固、ECC加固和ECC－BFRP加固的结构最大层间位移角分别为1/141、1/153、1/179和1/265。其中，采用ECC－BFRP进行加固时，结构的最大层间位移角小于规范所规定地下结构的弹塑性层间位移角限值1/250［22］，其他工况下结构均进入塑性阶段。

3.2 结构变形

图6是采用不同加固措施的地铁车站结构中截面震后等效塑性应变分布图。从图中可以看出，对于未采用加固措施的地铁车站结构，振动作用使顶板和侧墙竖向承载力迅速下降，使中柱承担了较大的竖向力，继而中柱在上覆土重力和双向地震共同作用下发生压剪破坏，使得二层柱顶和底层柱底出现较大的塑性应变。

图6 不同工况下地铁车站中截面等效塑性应变分布图Fig.6 Distribution of equivalent plastic strains for the middle section of subway station under different working conditions

当中柱采用加固措施后，地铁车站结构的破坏程度较未加固时呈不同程度的减小。当输入峰值加速度为0.1 g时，采用加固措施的地铁车站结构塑性发展程度相比较加固前略有降低，但采用不同加固措施的结构塑性发展和分布差异并不明显。当输入峰值加速度为0.2 g时，采用加固措施的地铁车站结构塑性发展程度相较于加固前有了明显的降低；其中，采用ECC作为加固层基质时结构各构件变形和塑性发展明显小于采用其他措施时，但加固层基质中加入BFRP前后对结构的整体变形影响有限。当输入峰值加速度为0.4 g时，ECC的加固效果更加显著，并且ECC加固层基质中加入BFRP后可以明显提高结构的抗震能力，其整体变形明显减小，且各构件变形和塑性分布较为均匀；但在砂浆加固层基质中加入BFRP后结构的抗震能力变化不大，但较未加固结构也有明显提高。

综上所述，底层中柱破坏最为严重，且采用ECC作为加固层基质时可以明显改善地铁车站结构的抗震能力。因此，以该柱为研究对象，分析在0.4 g的双向地震作用下采用ECC作为加固层时地铁车站结构中柱最大变形时刻等效塑性应变发展情况，见图7。

由图7可知，对于未采用加固措施的结构工况，未加固柱倾斜程度迅速增大，从而被压弯，柱顶和柱底混凝土均发生了明显的塑性变形，其中柱底混凝土变形呈“灯笼形”，这是由于中柱竖向承载能力迅速降低使柱底发生了局部破坏。而采用加固措施的中柱虽然发生了明显的倾斜，但仅柱底发生了较为明显的塑性变形，核心柱的塑性发展区域面积明显小于未加固柱，其中ECC-BFRP加固后最为显著。此时，加固层混凝土仅局部出现塑性应变，其中，ECC-BFRP加固层的塑性变形更小。

图7 中柱变形及塑性发展情况Fig.7 Deformation and plastic development of central columns

图8给出了ECC加固、ECC-BFRP加固以及未加固中柱的竖向相对位移。从图中可以看出，在加载初期，2种加固柱和未加固柱的竖向相对位移差异并不显著。随后，不同工况下中柱的竖向相对位移差异开始体现出来，未加固柱的竖向相对位移迅速增大，最大值达到了0.125 m，说明未加固柱承载能力在破坏时迅速下降；ECC加固柱和ECC-BFRP加固柱的竖向相对位移的下降段相较于未加固柱较为平缓，其最大竖向相对位移分别达到了0.076 m和0.055 m，说明2种加固柱的破坏过程中承载能力缓慢减小，体现了明显的延性特征，并且ECC-BFRP加固柱的承载能力更强，延性更好。

图8 中柱竖向相对位移Fig.8 Vertical relative displacement of central columns

综上所述，采用ECC-BFRP进行中柱加固可以明显减小中柱的变形破坏，从而提高车站的抗震能力。这是由于中柱在上覆土重力和双向地震共同作用下发生压剪破坏，而采用外包混凝土加固后，加固层对核心混凝土柱的约束作用使其由单轴应力状态转换成三轴应力状态，减小了中柱的变形和破坏。采用ECC作为加固层基质并在其中加入BFRP时，其界面粘结能力明显优于水泥砂浆作为基质时，ECC和BFRP良好的协同受力能力明显增大了加固层的约束作用，从而明显提高中柱的变形能力。