地铁车站结构振动台试验及地震响应的三维数值模拟分析

地铁车站结构振动台试验及地震响应的三维数值模拟分析

靳鑫

天津晟源工程勘察设计有限公司 300142

摘要：地铁车站结构对于抗震性要求较高，为了验证地震时车站结构稳定性。根据车站结构建立模型，对实验模型进行测试。通过建立三维有限元数值模拟进行测试，结合加速度响应规律以及内力响应等进行分析对比，获得的结果能够有效反映出车站结构动力响应与结构之间的作用规律。该项测试研究，能够为地铁车站结构测试提供较好的参考数据。

关键词：地铁车站；振动台试验；地震响应；三维数值模拟

引言：随着城市不断发展，轨道交通网络结构愈发复杂。导致大量复杂结构的车站出现，其中双线和多线结构的换乘结构，需要对其抗震性能进行科学设计，保证整体结构的稳定性。结合抗震需求，对地下结构地震特性进行探究，通过模拟获得三维数值，为后续地铁车站结构设计奠定基础。

一、研究背景

当前关于城市轨道交通抗震，各界学者从1995年就在不断研究。这也使得结构抗震得到社会的广泛关注，通过实际调查能够发现震害形成的结构断面形式多是保持一致。可以判断出地下结构振动模式依赖周围土层，土层会导致结构发生变化。但是结构会产生惯性作用，发生的变形不明显。地震事故发生时，多是由于地下结构被破坏，导致中柱失效引发结构损伤。对于结构断面形式复杂的地铁车站而言，存在并行和交叉等多种结构，结构受力特性复杂，除去与地下结构和土层相互作用外，结构相互间的作用力也十分关键。此外，部分结构下面的土层包含淤泥与粉质黏土。软土地基对结构抗震性的影响更大，会导致更大的损失，对此，需要结合地基与车站结构进行研究，建立科学的理论分析，验证数值模型的正确性^[1]。

二、振动台模型试验

（一）试验模型制备

本次试验按照标准荷载参数，按照三层三跨的结构断面进行设计制作模型。试验按照无缝换乘地铁车站结构为参考，讲周围附属结构去除，模型整个形状为十字型。结构模型在制备过程中，充分考虑到结构模型的整体性。由于钢筋混凝土构件难以在缩小比例的模型中制作，应用后也无法保证模型质量。因此选择高质量的有机玻璃，同时选取某车站现场基坑中的土壤，装箱后对模型土进行测试，获得土壤的基本参数与动力参数。建设模型的目的在于对结构模型和模型土进行比对，确保两种材质的结构能够关系一致。考虑到测试探究的内容是地震响应特征，试验过程还是以结构模型为主。对两个模型相差的质量损失加以弥补，确保设计过程中，两个模型的结构相似关系一致。

（二）测点布设

采集数据能够获得模型土层中的加速度响应，本次试验测试设置7个点对断面进行观测。同时在每一个断面上布置测点，用来对结构的周围应变响应进行测试。通过测试获得加速度响应分布，设置水平观测轴面，使用传感器进行校正。

（三）试验加载工况

试验工况根据地震波记录，根据地震产生的波强度和速度时程曲线。监管振动台试验，会不断导致结构出现损伤，属于累积损伤的过程，依旧需要保证每一组工况能够保证初始条件。因此，试验加载过程需要采用单向输入的方式，逐步加强等级，具体加载后的工况如表1所示。

表1 试验加载工况

三、三维模型建立

（一）模型参数

有限元模型中，由于使用了有机玻璃。在试验过程中，有机玻璃耐力较强，不会产生破坏现象。因此采用线弹性本构关系对模型特征进行分析，比拟各工况中的土层实际情况进行拟合。利用阻尼模型，对土层中的阻尼性质进行分析。

（二）有限元模型

有限元模型根据原型车站结构，进行单元模拟。设置土层介质网格，根据网格的密集程度确定结构质量。同时考虑到模型土与结构间的作用，采取硬接触的方式，获得摩擦接触系数。地震动输入方向同试验方向具有一致性，利用试验采集数据作为模型边界，保障结果的准确性。按照法向边界与切向边界，在阻尼器中添加数据进行测试。

四、结果分析

根据模型试验与数值模拟为参考，结合建模对车站结构、土层、自身结构动力作用情况进行分析。

（一）加速度响应对比

根据表1中的工况对比，提取模型中的截面测点，对不同的工况结果进行计算。其余测点，不包括损坏测点，观察其峰值加速度曲线图。对比不同工况的加速度时程曲线，对选中的工况进行对比。通过对比，能够知晓数值模拟与试验实测的数据相对吻合。也就是说，建模试验能够很好的还原车站振动台，并对不同工况条件下的土层进行测试，实现多种情况加速度响应模拟，获得土层加速度响应规律。通过测试的数据能够发现，模型顶部测点产生的加速度幅值，顶部应高于底部，才能验证模型放大效应。随着震动幅度提升，加速度放大系数减少，可以判断出是由于运动强度导致土层的阻尼增大，从而对放大效应产生反应^[2]。

（二）结构应变响应

通过采用半桥接法采集结构，对数据进行分析，根据结构构件反映出的值，对其进行分析。由于工况点较多，本次仅选择其中一点举例。通过测试工况3的相关数据，整理后分析基于其他工况条件下，响应峰值的实际情况。通过这种测试方法，能够观察到曲线幅度，从而确定响应峰值的变化趋势，验证建模方法的合理性。根据试验证明了，尽管地下结构在遇到地震，结构反应需要由地震动特性决定，但是由于车站交叉部分结构自身有内力抵抗，可以对其产生的影响相对较小。而车站结构的侧面与中柱应变响应，则是会在达到一定数值后，逐渐趋向稳定。如果使用车站结构作为计量单位，需要根据测试在影响范围内将系数*1.5。

（三）结构构件内力

为了进一步对地铁结构内力响应特征进行分析，根据车站结构间力相互作用，能够分析结构内力数据。通过提取车站结构侧墙的弯矩、中柱弯矩等，根据内力变化。能够发现不同工况条件下，侧墙顶部弯矩减小。侧墙会受到交叉端影响，导致弯矩增大。产生这种情况的原因是因为车站结构特殊，相较于单体车站，本次模型结构刚性更强。根据结构变形、弯矩增大的现象，能够验证车站不同方向结构之间，力会相互作用。经过端部距离对比，能发现模型交叉端位置对于结构抗震性影响较大。尤其处于交叉位置，结构刚度过渡，结构底部会产生变形。针对此类车站而言，交叉端会影响结构本身，同时受到自身结构影响，影响范围的变化在基础的0.5-0.6m之间，还应*1.5倍才能获得更贴合的参数。

结论：综上所述，通过模拟试验，建立三维模型进行有限元数值模拟，能够获得的结果是，该方法适用于结构地震过程测试。根据测试结果，能够分析出车站方向、结构、土层之间会相互作用。交叉端部受到的影响相对明显，交叉端对构件内力和土压力影响存在相似性。本次研究结果对于日后地铁车站结构抗震，提供一定参考，更有助于设计复杂结构的车站。

参考文献：

[1]于仲洋,张鸿儒,邱滟佳,等.无缝换乘地铁车站的地震响应特性研究[J/OL].湖南大学学报(自然科学版):1-11[2021-11-11].

[2]杨林德,王国波,郑永来,等.地铁车站接头结构振动台模型试验及地震响应的三维数值模拟[J].岩土工程学报,2018(12):1892-1898.