黄土场地地铁车站振动台试验方案设计与研究

王玉铃; 权登州; 柴少波; 卜永红; 王毅红

doi:10.11899/zzfy20210118

黄土场地地铁车站振动台试验方案设计与研究

doi: 10.11899/zzfy20210118

长安大学，建筑工程学院，西安 710061

基金项目: 国家自然科学基金资助项目（41902277）；陕西省自然科学基金资助项目（2020JM-234）；中央高校基本科研业务费资助项目（300102280105）；西安市建设科技计划项目（SZJJ2019-19）

详细信息

作者简介:
王玉铃，男，生于1999年。硕士研究生。主要从事结构抗震方面的研究。E-mail：1617969002@qq.com

通讯作者:
权登州，男，生于1983年。讲师。主要从事地下结构抗震的研究。E-mail：qdz0809@163.com

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出版历程
- 收稿日期: 2020-05-14
- 刊出日期: 2021-03-31

Study on the Test Scheme of Shaking Table Test for Subway Station Built in Loess Area

School of Civil Engineering, Chang’an University, Xi’an 710061, China

摘要

摘要:
为得到可靠的试验数据，对黄土场地典型断面地铁车站大型振动台试验方案进行设计与研究。根据试验目的和特点，提出黄土场地与地铁车站动力相互作用模型体系相似设计原则，并基于Bockingham的π定理对模型结构进行相似设计；通过室内试验研究模型材料配合比、力学特性及模型制作技术；采用有限元-无限元耦合数值建模方法，分析黄土场地地铁车站地震响应，基于数值模拟结果对振动台试验中的传感器布设方案进行研究；根据西安及周边地区地震环境特点，确定振动台试验输入地震动与加载方案。研究结果表明，试验模型结构宏观震害与数值模拟结果较吻合。本研究可为黄土场地地铁车站、地铁隧道及地下商业街等地下结构振动台试验方案设计与深入研究提供参考。
- 黄土场地 /
- 地铁车站 /
- 振动台试验 /
- 相似设计 /
- 加载方案 /
- 数值模拟
Abstract:
For obtaining reliable results, the test scheme of shaking table test for subway station built in loess area was designed and analyzed. According to the aim and characteristic of model test, the principles of scale-model design considering the dynamic interaction between loess and structure were determined and the scale ratios of model system were deduced based on theorem of Bockingham π. The mix proportions, mechanical properties of model material and the construction technology of model structure were studied by experiments. In addition, the rules of seismic responses of model system were analyzed using finite-infinite element method and the sensors position of model test was determined to acquire the key data according to the results of numerical simulation. Then the input ground motions and loading scheme of model test were studied based on the seismic environment around Xi’an. The macroscopic seismic damages during shaking table test are similar with numerical analysis results. This paper can provide an important reference for the test design and antiseismic research of underground structures by shaking table tests.
- Loess area /
- Ssubway station /
- Shaking table test /
- Design of scale model /
- Loading scheme /
- Numerical analysis

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图 1 微粒混凝土弹性模量和抗压强度

Figure 1. Elastic modulus and compressive strength of micro-concrete

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图 2 模型制作

Figure 2. Manufacturing model

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图 3 有限元-无限元耦合分析模型

Figure 3. Analysis model of finite-infinite element method

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图 4 黄土动力特性试验结果

Figure 4. Dynamic characteristics of loess

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图 5 黄土场地地铁车站地震响应数值模拟结果

Figure 5. Numerical analysis results of subway station in loess

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图 6 数据采集传感器

Figure 6. Sensors of shaking table test

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图 7 观测断面位置与传感器布置示意

Figure 7. Arrangement plan of sensors for shaking table test

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图 8 输入地震动加速度时程与反应谱

Figure 8. Time-histories and Fourier spectra of input accelerations

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图 9 模型体系地震破坏情况

Figure 9. Seismic damage of test model

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表 1 模型相似常数

Table 1. Similar constants of test model

性能	物理量	相似关系	相似常数	性能	物理量	相似关系	相似常数
几何特征	长度l	S_l	1/30	荷载性能	集中力F	S_F=S_σS_l²	2.22×10⁻⁴
	面积A	S_A=S_l²	1/900		线荷载q	S_q=S_σS_l	6.67×10⁻³
	线位移s	S_s	1/30		面荷载p	S_p=S_σ	1/5
	角位移θ	S_θ=S_σ/S_E	1		力矩M	S_M=S_σS_l³	7.41×10⁻⁶
材料性能	弹性模量E	S_E	1/5	动力特征	时间t	S_t=S_l^0.5 S_a⁻^0.5	0.13
	应力σ	S_σ=S_E	1/5		频率f	S_f=S_l⁻^0.5 S_a^0.5	7.75
	应变ε	S_ε=S_σ/S_E	1		速度v	S_v=S_l^0.5 S_a^0.5	0.26
	密度ρ	S_ρ=S_E/(S_lS_a)	3.0		阻尼c	S_c=S_σS_l^1.5 S_a⁻^0.5	8.61×10⁻⁴
	质量m	S_m=S_σS_l²/S_a	1.11×10⁻⁴		加速度a	S_a	2.0

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表 2 土样的物理指标

Table 2. Physical parameters of soil samples

重度/kN·m⁻³	干密度/g·cm⁻³	含水量/%	液限/%	塑限/%	塑性指数	黏聚力/kP_a	摩擦角/°	孔隙比
16.7	1.41	22.7	34.2	20.3	13.9	29.0	21.0	0.973

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表 3 黄土场地土层组成与力学参数

Table 3. Soil composition and mechanics parameters of loess site

土层名称	深度/m	特征描述	密度/kg·m⁻³	剪切波速/m·s⁻¹	泊松比	黏聚力/kPa	内摩擦角φ/(º)
新黄土（Q₃^eol）	0～6	褐黄色，硬塑	1 960	205	0.26	27	24.5
新黄土（Q₃^eol）	6～13	褐黄色，硬塑	2 010	241	0.26	27	24.0
古土壤（Q₃^el）	13～17	红褐色，硬塑	1540	271	0.26	45	24.0
老黄土（Q₂^eol）	17～24	黄褐色，可塑	1670	298	0.29	35	23.0
古土壤（Q₃^el）	24～36	红褐色，可塑	1760	317	0.29	44	23.0
老黄土（Q₂^eol）	36～44	黄褐色，可塑	2060	339	0.30	36	22.5
古土壤（Q₂^el）	44～56	红褐色，可塑	2 000	383	0.29	44	23.0
老黄土（Q₂^eol）	56～64	褐黄色，可塑	1 970	434	0.31	27	23.0
老黄土（Q₂^eol）	64～70	褐黄色，可塑	1 980	466	0.31	27	23.0

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表 4 试验加载工况

Table 4. Loading conditions for shaking table test

序号	地震动	工况	加速度峰值/g	序号	地震动	工况	加速度峰值/g
1	白噪声	B0	0.05	14	松潘波	S4	0.40
2	松潘波	S1	0.05	15	Taft波	T4	0.40
3	Taft波	T1	0.05	16	西安人工波	X4	0.40
4	西安人工波	X1	0.05	17	白噪声	B4	0.05
5	白噪声	B1	0.05	18	松潘波	S5	0.60
6	松潘波	S2	0.10	19	Taft波	T5	0.60
7	Taft波	T2	0.10	20	西安人工波	X5	0.60
8	西安人工波	X2	0.10	21	白噪声	B5	0.05
9	白噪声	B2	0.05	22	松潘波	S6	0.80
10	松潘波	S3	0.20	23	Taft波	T6	0.80
11	Taft波	T3	0.20	24	西安人工波	X6	0.80
12	西安人工波	X3	0.20	25	西安人工波	X7	1.20
13	白噪声	B3	0.05	26	白噪声	B7	0.05

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