Shaking Table Test Study on Seismic Response of Soil-structure Cluster Interaction System
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摘要: 设计并开展一系列土-结构群相互作用体系振动台试验，考虑结构数量、地震动类型与幅值等参数，研究土-结构群相互作用对结构及场地土响应的影响，并对模型土参数确定方法进行分析。研究结果表明，地表建筑物的存在并不总是减小自由场地面运动，但地面运动随着地表结构数量的增加而降低；土-结构群相互作用对位于结构群中心的结构响应影响最大，且会放大土体卓越频率附近的响应成分；不同评价指标之间具有不同的侧重点，但均可较好地评价结构群之间的相互作用；输入地震动的总能量越高，土-结构群相互作用越明显。
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关键词:
- 振动台试验 /
- 土-结构相互作用 /
- 结构-土-结构相互作用 /
- 土-结构群相互作用
Abstract: A series of shaking table tests of soil-structure (group) interaction systems are designed and implemented in the paper, the parameters such as the number of structures, and the type and amplitude of ground motion are considered to explore the influence of the SSCI effect on the structure and site soil response. And the methods to determine model soil parameters are discussed. The comparative analysis based on the test results shows that: (1) the existence of surface buildings does not always reduce the ground motion of the free field, but the ground motion decreases with the increase of the number of surface structures. (2) The SSCI effect has the greatest impact on the structural response at the center of the structure group, and it also will amplify the response components near the predominant frequency of the soil. (3) Different evaluation indicators have different emphases, However, they both can evaluate the interaction between structural groups well; (4) the higher the total energy of the input ground motion, the more obvious the SSCI effect. -
引言
2022年1月8日1时45分（北京时间），青海省海北藏族自治州门源县（37.77°N，101.26°E）发生MS6.9地震，震源深度10 km，此次地震震中距兰新高铁硫磺沟大桥4 km，距门源县城53 km，距甘肃民乐县83 km，距海北藏族自治州政府驻地96 km，距西宁市136 km。震中5 km范围内平均海拔约3 674 m。青海、甘肃、宁夏等省份震感强烈，未造成人员死亡，少量人员受伤，灾区桥梁、道路、房屋等发生不同程度的破坏。
据中国地震台网测定，至2022年1月13日8时0分，共记录到此次地震M3.0以上余震20次，包括2次5.0～5.9级地震、5次4.0～4.9级地震、13次3.0～3.9级地震。最大余震为2022年1月12日18时20分发生的5.2级地震（37.69°N，101.49°E）。本次地震处于青藏高原北缘板块祁连山麓内部，其附近断层纵横发育，主要有民乐-永昌断裂、皇城-双塔断裂、肃南-祁连断裂、托来山断裂、冷龙岭断裂、日月山断裂等。历史记载及仪器记录，震中周边200 km范围内近5年发生3级以上地震共18次。
通过野外现场调查工作，分析认为此次地震为高原的高地形与印度及欧亚板块之间的斜切运动，发震断层为冷龙岭断裂西段（长约17 km）与托来山断裂东段（长约5 km），表现为强烈的左旋走滑性质，造成长约22 km地表破裂带。
1. 震区概况
海北藏族自治州门源县处于青海省东北部，其东部和北部与甘肃省相邻。该地区属高原大陆性气候，海拔高度为2 388～5 254 m，年平均气温0.8 ℃。区域内地形复杂，主要类型为山地和河湖盆地，地势西北高、东南低。大地构造单元属祁连山褶皱系的次级构造单元——北祁连山构造带中段。区域内构造线以NW、NNW向为主。门源县土地面积约6 400 km2，全县13 830人，人口密度为203 人/10 km2。根据中国地震局发布的青海门源MS6.9地震烈度图（图1），极震区（地震烈度Ⅸ度区）面积约157 km2，自西向东包括大西沟、道沟、硫磺沟区域，距门源县政府所在地约53 km。
图 1 青海门源MS6.9地震烈度Figure 1. Map of seismic intensity for MS6.9 earthquake in Menyuan county, Qinghai province受此次地震影响，青海省海北藏族自治州门源县、祁连县、刚察县震感明显，共1 662户5 831人受灾，9人受伤（均为避险不当所致），无人员死亡；共4 052间房屋破坏，217间房屋严重破坏，3 835间房屋一般破坏；151座畜棚破坏，其中倒塌6座，一般破坏145座；15 km长供排水管网破坏，3.96 km长供热管网破坏，3.3 km长省道破坏，8 km长乡村道路破坏，3座桥梁破坏，17处涵洞破坏；地质灾害隐患点成灾1处，祁连山国家公园管护站均不同程度受损。
2. 极震区震害调查
基于震源参数（表1）、强震动仪器观测结果（表2）及InSAR反演结果（李振洪等，2022），开展震前、震后高分辨率遥感卫星影像解译、极震区野外踏勘和无人机拍摄测量，在门源县大西沟、道沟、硫磺沟附近发现长约22 km的地表破裂带、1座破坏桥梁（兰新高铁硫磺沟大桥）和6个破坏房屋调查点（图2）。
表 1 2022年门源MS6.9地震震源参数Table 1. Source parameters for the 2022 Menyuan MS6.9 earthquakes来源 纬度 经度 震级/MS 走向/° 倾角/° 滑动角/° 深度/km 中国地震台网中心 37.770°N 101.260°E 6.9 — — — 10.0 USGS 37.815°N 101.278°E 6.6 104 88 15 11.5 GCMT 37.800°N 101.310°E 6.7 104 82 1 14.8 GFZ 37.810°N 101.340°E 6.6 285 82 16 15.0 表 2 2022年门源MS6.9地震强震动记录分析Table 2. Analysis of strong vibration records for the 2022 Menyuan MS 6.9 earthquakes台站
名称台站经度 台站纬度 震中距/km 震中
方位角/°PGA/cm·s−2 PGV/cm·s−1 仪器
烈度/°EW NS UD EW NS UD C0028 37.7°N 101.3°E 7.8 324.6 −456.9 445.0 355.3 27.6 23.4 12.0 8.2 C0029 37.6°N 101.2°E 13.7 4.4 210.8 −144.1 132.7 −32.6 16.6 7.6 8.3 C0036 37.8°N 101.1°E 15.1 120.0 −136.0 −134.6 −122.4 −18.7 −30.4 18.7 8.2 C0027 37.6°N 101.4°E 18.0 332.4 −242.6 198.7 −114.3 16.1 9.6 −7.6 7.6 
图 2 青海省门源县极震区调查示意Figure 2. Schematic diagram of the investigation scope of the extreme survey in Menyuan county, Qinghai province2.1 地表破裂带
极震区内破裂带总长约22 km，总体走向近EW向，呈南北分叉状，该地表破裂带主要由一系列的张剪裂缝、张裂缝和斜列的挤压鼓包、地震陷坑、砂土液化等多种构造标志组成（图3）。其中，张裂缝、剪裂缝整体走向为190°～220°，部分为325°～350°，表现为雁列式、共轭式或不规则式排列，最大宽度＞1.5 m，最大深度＞3 m，最大左旋位错＞1.5 m。挤压鼓包整体走向为180°～225°，最大高度达1.6 m，左旋位错＞1 m。喷砂冒水最大直径＞2 m，主要表现为圆形或椭圆形，少数为扇形，主要包括孤立的喷砂冒水孔、串珠状喷砂冒水孔、层叠喷砂冒水孔等形式。
2.2 兰新高铁硫磺沟大桥
硫磺沟大桥位于门源县祁连山系冷龙岭山脉南侧硫磺沟沟内（37.791°N，101.308°E），大桥全长272.77 m，为8跨32 m双线简支梁桥，桥面宽约12.6 m，桥墩结构采用单柱式，与桥台间采用高阻尼橡胶支座，过渡墩和桥台处采用四氟乙烯滑板支座。大桥南侧与大梁隧道相接，北侧与祁连山隧道相接。
桥址区地貌单元属于硫磺沟河谷区，河谷为不规则倒梯形，河谷两侧为山前坡积扇，地形高差相对较大，高程3 563～3 595 m。北侧山前坡积扇坡角相对较缓，一般为20°～25°，边坡稳定性好；南侧坡积扇地形相对陡峭，坡角为25°～30°，边坡稳定性差，现场可见硫磺沟大桥左侧边坡滑塌现象（图4）。桥址场地地表基岩处于强风化状态，第四系覆盖层厚度大，松散未胶结或胶结程度差，大桥场地等效剪切波速度为250～500 m/s，场地覆盖层厚度＞5 m（表3、图4），场地类别为Ⅱ类，地震动反应谱周期为0.45 s，地震动峰值加速度为0.20 g，抗震设防烈度为Ⅷ度，桥梁抗震措施等级为4级。
表 3 硫磺沟大桥场地等效剪切波速Table 3. Equivalent shear wave velocity of Liuhuanggou bridge site钻孔编号 等效剪切波速/m·s−1 覆盖层厚度/m LHG-3 365 24.0 LHG-7 398 18.0 本次调查显示，处于极震区东段的硫磺沟大桥破坏严重。桥上钢轨（CRTSI型双块式无砟轨道）发生扭曲，部分折断，最大位移量约1.2 m。钢轨固定扣件（福斯罗300-1a型）弹条崩脱，螺栓部分破坏，道床板移位及错台。桥梁梁板倾斜移位，最大倾角约18°，混凝土支块挡块及护栏部分破坏，相邻梁板最大位移量约0.8 m，累计位移量1.4 m。高阻尼球形橡胶支座中夹层薄钢板及橡胶片部分破坏脱落。桥台受损，混凝土保护层严重破坏，发育多条纵、横向裂缝及细微斜裂缝，桥台多处内部钢筋出露。桥墩结构完整（王青桥等，2009），桥墩与地面接触处出现宽2～15 cm裂缝。桥下地面发育多条贯穿型裂缝，整体走向为190°～210°与310°～340°，裂缝宽度2～25 cm（图5）。
2.3 破坏房屋
极震区沿沟谷展布，山势陡峻，平均海拔3 500 m以上，附近居民生活点较少，共6个调查点，总面积约3 285 m2。1间砖混结构房屋轻微破坏，面积占比约0.6%；2间砖木结构房屋毁坏，面积占比约1.1%；2间土石结构房屋毁坏，面积占比约6.1%；60间轻钢结构房屋基本完好，面积占比约78%；12间轻钢结构房屋轻微破坏，面积占比约12%；2间轻钢结构房屋中等破坏，面积占比约2.2%（表4、图6）。
表 4 极震区不同结构类型房屋震害调查表Table 4. Investigation on earthquake disaster of buildings with different structures in the extreme areas调查点 结构类型 砖混结构 轻钢结构 土石结构 砖木结构 数量/间 面积/m2 破坏情况 数量/间 面积/m2 破坏情况 数量/间 面积/m2 破坏情况 数量/间 面积/m2 破坏情况 1 1 20 轻微破坏 — — — — — — — — — 2 — — — 26 1000 16间基本完好
8间轻微破坏
2间中等破坏— — — — — — 3 — — — 46 2 000 42间基本完好
4间轻微破坏— — — — — — 4 — — — 2 30 基本完好 2 200 毁坏 — — — 5 — — — — — — — — — 1 15 毁坏 6 — — — — — — — — — 1 20 毁坏 总计 1 20 — 74 3030 — 2 200 — 2 35 — 1号调查点共调查房屋1间，为砖混结构，面积约20 m2，轻微破坏，房屋侧面出现细小裂缝，长约1.3 m。顶部及构造柱为钢筋混凝土结构，墙体主要由砖块砌筑。外部围墙严重毁坏，主要由混凝土空心砖砌筑，墙厚24 cm，长39 cm，宽24 cm，铺浆面厚约1 cm。
2号调查点共调查房屋26间，均为轻钢结构，总面积约1 000 m2。16间基本完好，面积约640 m2。8间轻微破坏，面积约288 m2，轻钢墙体发生轻微变形。2间中等破坏，面积约72 m2，轻钢墙体部分扭曲变形。
3号调查点共调查房屋46间，均为轻钢结构，总面积约2 000 m2。42间基本完好，面积约1 890 m2。4间轻微破坏，面积约110 m2，轻钢墙体发生轻微变形。
4号调查点共调查房屋2间、羊圈2间，总面积约230 m2。2间轻钢结构房屋面积约30 m2，基本完好，未发现门窗变形。2间土石结构羊圈，面积约200 m2，毁坏，围墙主要由石块及黄土堆积而成，未铺浆，外部通过铁丝固定。
5号调查点共调查房屋1间，为砖木结构，面积约15 m2，完全毁坏，房屋倒塌，未见圈梁和构造柱。顶部由简易木质结构搭建，墙体下部主要为空心砖砌筑，墙体厚24 cm，上部由红砖砌筑，未铺浆。
6号调查点共调查房屋1间，为砖木结构，面积约20 m2，毁坏，房屋顶部破损，外墙部分倾斜倒塌，墙体发育多处贯穿型裂缝，未见圈梁和构造柱。顶部由简易木质结构架预制板构成，墙体主要由红砖、空心砖砌筑，墙体厚24 cm，铺浆面厚约1 cm。
3. 震害特征分析
3.1 桥梁、房屋、道路等破坏情况
本次发震断裂呈NWW向展布，在地表形成长约22 km的分叉状破裂带，均以左旋走滑性质为主，形成了典型的断错地貌，如河心滩、道路车辙印等被明显错断（图7），一系列张剪裂缝、挤压陡坎等（图3）。桥梁、房屋、道路均处于近断层区域，受地震动作用和场地破坏效应强烈，破坏严重。
兰新高铁硫磺沟大桥位于极震区东段，在大桥山前及东、西侧可观察到明显的地表破裂带，破裂带宽约150 m，长约30 m，与大桥呈50°～75°夹角展布。结合大桥整体破坏程度及两侧地表特征，初步推测断层破裂的强震动作用（Ⅸ度）超过了桥梁设定的抗震设防烈度（Ⅷ度），导致大桥整体倾斜破坏。高应力下的强震释放大量能量，形成了规模巨大的地表破裂带，对大桥地面造成了不可逆的位移及变形。此外，由于大桥横穿断层线方向（图7），地震形成的冲击波在断层与地表之间多次反射，放大了地震差动效应（罗全波等，2018；李鑫等，2021a；蒋一然等，2022），高能、短时脉冲运动周期为1～3 s，接近硫磺沟大桥自振周期，在地震动空间差动及断层效应的作用下，高阻尼球形支座及桥台连接固件严重破坏，超出理论破坏值（刘佳，2013），限位及减隔震装置部分功能丧失，导致大桥不同跨变形存在差异。此外，桥墩易沿基岩面滑动，土体位移增大了桥墩承受的附加静应力和动应力，运动使桥墩与上部梁板及连接件失去稳定性能（黄勇等，2010），进而导致桥梁梁板与断层上盘表现为一致的运动趋势，整体向东倾斜移位（图4），大桥桥墩与地面形成2～15 cm宽裂缝（图5）。
房屋、道路整体沿极震区长轴分布，约120°～140°。受断层效应作用明显，发生不同程度的破坏。房屋破坏程度整体较轻，多为基本完好或轻微破坏。因2016年青海门源MS6.4地震发生后，政府对海北藏族自治州房屋进行了全面加固，加固方式包括固砖补缝、钢筋围固、增加壁柱、砂浆充填等（图8），使原有房屋抗震性能得到显著提升。此外，极震区房屋多为轻钢结构，具有良好的柔性和自复性，在强烈地震动作用下，未出现较大变形。道路破坏严重，因大部分道路被断裂带直接横穿，造成道路抬升及错断，可见道路车辙印被左旋错断，位错约0.8 m。此外部分道路位于山前，因地震作用产生边坡效应，出现大量地表裂缝，其走向与堆积体滑落方向基本一致，宽2～20 cm。
3.2 人员受伤情况
地震于凌晨发生，硫磺沟大桥未有高铁通过，故无人员伤亡。震中附近山高沟深，居民点分布较少，仅有6个调查点，人口密度较低（图2），人员伤亡性小。毁坏房屋结构类型基本为砖木结构（居民点）及土石结构（牛羊圈），其设计、修建质量等均不满足要求，如未设置圈梁和构造柱，顶部由简易木质结构搭建，相邻结构无固定连接措施（罗春燕，2011），墙体主要由烧结普通砖砌筑，强度低、自重小，未铺浆，砌体整体抗剪强度低（李红，2011），在极震区范围全部毁坏。因冬季放牧期结束，无人居住，故无人员伤亡。此外，调查点轻钢结构房屋为主体，属柔性结构连接，其修建通过严格抗震设计及相关质量检验，抗震能力较强，在极震区内多表现为基本完好或轻微破坏，无人员伤亡。
4. 意见建议
基于此次地震现场实际调查工作，通过对极震区兰新高铁硫磺沟大桥及周边居住点进行详细调查与震害分析，提出门源地震灾后重建及震害防御建议。
（1）对于灾区房屋建筑，组织专业技术人员进行详细调查及安全鉴定。建议轻微破坏或中等破坏的框架、砖混结构建筑在原基础进行抗震设防加固，拆除严重破坏及毁坏的砖木、土石结构建筑，严格按照国家抗震设防标准重建，建议建造轻钢结构房屋（李鑫等，2021b）。
（2）定期开展房屋建筑隐患排查及加固工作。此次门源地震房屋整体破坏程度较轻，人员伤亡较少，其主要原因是2016年门源地震发生后，政府已对县城及周边所有房屋进行了排查及加固工作，整体增强了辖区抗震设防能力。
（3）建议原地修建兰新高铁硫磺沟大桥。大桥梁板虽发生侧倾，桥台多处内部钢筋出露，但桥墩结构完好，整体表现为轻微破坏。此外大桥所属场地附近发育多条活动性断裂（何文贵等，2000；胡朝忠等，2016），其周边区域基岩风化破坏严重，第四系覆盖层厚度大，松散未胶结或胶结程度差，可供选择及利用区域较少，选址难度较大，故建议原地修建。
（4）硫磺沟大桥破坏为我国真正意义上的高铁震害，建议根据高烈度地区高铁桥梁特殊性，修建桥梁时加设减隔震装置、连梁及柔性限位装置，使桥梁稳固性及自复性得到提升。
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图 5 输入地震波时程及频谱曲线
Figure 5. Time histories and Fourier spectrums of the input seismic wave
图 6 不同地震动激励下测点A5的峰值加速度对比
Figure 6. Comparison of the peak acceleration at the A5 under different seismic excitations
图 7 不同地震动激励下测点A5的Ia值对比
Figure 7. Comparison of the Arias intensity at the A5 under different seismic excitations
图 9 不同地震动激励下测点A5的加速度响应谱
Figure 9. Acceleration spectrums of A5 under different excitations
图 10 中心结构顶部峰值加速度对比
Figure 10. Comparison of the peak acceleration at the roof of central buildings under different excitations
图 12 中心结构顶部的位移时程曲线
Figure 12. Displacement time histories of the central building roof
图 13 中心结构顶部的峰值位移对比
Figure 13. Comparison of peak displacements of the central building roof
表 1 相似系数与相似关系
Table 1. Similarity coefficient and similarity relation
特征类型 物理量 相似关系 相似系数 几何特征 几何尺寸 SL 1/30 材料特征 弹性模量 SE 0.462 等效密度 Sρ=SE/（SaSL） 6.923 应变 Sε= Sσ/ SE 1 应力 Sσ 0.462 质量 Sm= SσSL2/ Sa 0.000 256 动力特征 时间 St = SL/ （SE / Sρ）−0.5 0.129 频率 Sf = SL−0.5Sa0.5 7.746 位移 SL 1/30 速度 Sv= （SL/ Sa）0.5 0.258 加速度 Sa 2 
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表 2 加载工况
Table 2. Test loading cases
编号 自由场 土-1个地表结构 土-3个地表结构 土-5个地表结构 输入波 地震动峰值加速度PGA/g 输入波 地震动峰值加速度PGA/g 输入波 地震动峰值加速度PGA/g 输入波 地震动峰值加速度PGA/g 1 WN 0.05 WN 0.05 WN 0.05 WN 0.05 2 EL 0.1 EL 0.1 EL 0.1 EL 0.1 3 BJ 0.1 BJ 0.1 BJ 0.1 BJ 0.1 4 NR 0.1 NR 0.1 NR 0.1 NR 0.1 5 EL 0.2 EL 0.2 EL 0.2 EL 0.2 6 BJ 0.2 BJ 0.2 BJ 0.2 BJ 0.2 7 NR 0.2 NR 0.2 NR 0.2 NR 0.2
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