1、地铁车站结构大型振动台试验与数值模拟的比较研究第 28 卷第 1 期2008 年 2 月地震工程与工程振动JOURNALOFEARTHQUAKEENGINEERINGANDENGINEERINGVIBRATIONVoI.28No.1Feb.2()O8文章编号:10001301(2008)01 015708地铁车站结构大型振动台试验与数值模拟的比较研究陈国兴,左熹,庄海洋,杜修力(1.南京工业大学岩土工程研究所,江苏南京 210009;2.东南大学土木工程学院江苏南京 210004;3.北京_T 业大学建筑工程学院,北京 100022)摘要:根据可液化土层上土一地铁车站结构动力相互作用大型振动台
2、模型试验结果,以软件 ABAQUS为平台,将地基土一地铁车站结构体系视为平面应变问题,采用记忆型嵌套面黏塑性动力本构模型模拟土体的动力特性,采用混凝土动塑性损伤模型模拟车站结构混凝土的动力特性,建立了土一地铁车站结构非线性动力相互作用的有限元分析模型,对各种试验工况下地基土一地铁车站结构体系的地震反应进行了数值模拟,并与试验结果进行了对比,结果表明:数值模拟与振动台模型试验结果基本一致,体现出了相似的规律性,相互印证了计算分析的力学建模和振动台试验结果的正确性.关键词:地铁车站结构;土一车站结构动力相互作用;地震反应; 大型振动台试验;数值模拟中图分类号:P315.972 文献标志码:AAco
3、mparisonbetweenlarge-sizeshakingtabletestresultsandnumericalsimulationofasubwaystationstructureCHENGuoxing,ZUOXi,ZHUANGHaiyang 一,DUXiuli.(1.InstituteofGeotechniealEngineering,Na.jingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China;2.CollegeofCivilEngineer,SoutheastUniversity,Nanjing210004,China;3.Collegeo
4、fArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100022,China)Abstract:Basedontheresultsofthelargesizeshakingtabletestofasubwaystationstructurebuiltinliquablesite,consideringtheinfluenceofthesoilstructurenonlineardynamicinteractionby2Dfiniteelementmethods,theseismicresponsesofth
5、esoilsubwaystationstructuresystemunderdifferenttestconditionsareanalyzedbyusingABAQUSsoftware.Intheanalysismodel,dynamicviscoplasticmemorialnestedyieldsurfacemodelisusedtosimulatethedynamiccharacteristicsofsoils,andtheplasticdamagemodelisusedtosimulatethedynamiccharacteristicsofstationconcrete.Andth
6、en,thesimulationresultsandtheshakingtabletestrecordsarecomparedindetailinthispaper.Theresultsshowthatthesimulationresultsandthelawofseismicresponsesofthesoilsubwaystationstructuresystemarebasicallyidenticalwiththoseoftheshakingtabletest.Sothat,theanalysisresultsandtheshakingtabletestresultsareproved
7、tobecorrect.Keywords:subwaystationstructure;dynamicinteractionofsoilstationstructure;seismicresponse;largesizeshakingtabletest;numericalsimulation引言随着城市建设的不断发展,城市规模不断扩大,人口日益聚集和增多,城市交通成为制约城市全方位发收稿日期:20070507;修订日期:200708 一 10基金项目:国家自然科学基金项目(50578076,50508002);江苏省六大人才高峰资助计划(06 一 F 一 008);江苏省高校自然科学基础研究项
8、目(07KJB560040)作者简介:陈国兴(1963 一),男,博士,教授,主要从事岩土地震工程研究.E-mail:gxenjut.edu.cal58 地震_T 程与工程振动第 28 卷展的“ 瓶颈 “.道路面积的紧张促使人们对地下空间这一重要资源进行开发,兴建城市地下交通已成为解决城市交通问题的一个十分有效的手段.通常认为,地下结构受周围土体的约束,具有较好的抗震性能,但近年的地震灾害现象表明,在强地震作用下,现有的地下结构并不安全.因此,地下结构的抗震性能研究很有必要.近年来在地下结构的地震反应研究方面,刘晶波等为研究地铁盾构隧道的地震反应特性,采用复反应分析法,研究了并行隧道间距离,衬
9、砌厚度,材料性质等因素对地震反应的影响.HongbinHuo 等以有限元软件 ABAQUS 为计算平台 ,考虑竖向和水平地震动的共同作用 ,对 13 本大开地铁车站的破坏情况与有限元数值模拟的结果进行了对比分析,验证了考虑土体与地下结构相互作用的有限元整体分析方法的可行性.杨林德等自行设计了振动台模型试验箱,对地铁车站结构进行振动台模型试验研究,并采用拉格朗13 差分法对振动台模型试验进行数值模拟分析.由于缺少地震时土一地下结构体系地震反应的实测数据,对于土一地下结构体系的地震反应分析以数值模拟为主,试验研究相对较少,而关于数值模拟与模型试验结果的对比研究更少.通过数值模拟和模型试验结果的对比
10、研究,一方面可以验证计算模型的合理性,同时也能验证模型试验方案的可行性及试验结果的可靠性,具有非常重要的意义.本文以软件 ABAQUS 为计算平台 ,考虑土一地铁车站结构动力相互作用的影响 ,对地铁车站结构大型振动台模型试验进行数值模拟,并与大型振动台模型试验结果进行了比较.1 可液化土一地铁车站结构大型振动台模型试验概况4本试验采用南京粉细砂作为模型地基土,在中国建筑科学研究院大型振动台(6m6m,80t)上进行了几何比例尺 l:25 的地铁车站结构模型试验.在试验中,模型场地土层分三层,在场地的顶部和底部分别设置了一定厚度的黏土层,模型场地土层从上到下的厚度分别为 0.16m,1.2m 和
11、 0.24m,模型地基宽度为 4.1m,模型车站结构的上覆土层厚度为 0.08m,为了尽量减小振动方向上刚性边界对结构动力反应的影响,在模型箱振动方向的两侧壁内衬聚苯乙烯塑料泡沫板,在试验前对模型土和模型结构的制备方法和模型材料的物理特性进行了室内试验研究,地铁车站模型试验的装箱与加速度计布置示意图见图 l,试验方案详见文献41.试验记录了输入 Kobe 波,ElCentro 波和南京人工波时不同加载工况下模型地基的加速度反应,车站结构的动应变反应,加速度反应等,详见文献4.通过试验了解了可液化地基上地铁车站结构地震反应的基本规律与特征,为完善地铁车站结构地震反应的分析方法提供了基础性的试验数
12、据.图 1 地铁车站结构模型装箱与加速度计布置示意图(单位:mm)Fig.1Schematicsectionofsubwaystationstructureandsitemodel.arrangementofaccelerometers(unit:mm)2 可液化地基土一地铁车站结构地震反应分析方法把地基土一地铁车站结构体系视为平面应变问题,采用等刚度折减弹性模量的方法将车站结构中柱等效为一面纵墙,对可液化地基上地铁车站结构振动台模型试验进行数值模拟.计算区域以模型箱为界,因振第 1 期陈国兴等:地铁车站结构大型振动行试验与数值模拟的比较研究 159动台模型试验模拟地铁车站结构在水平向地震动作
13、用下的动力反应,故底边界和侧边界均采用竖向同定,水平向自由的铰支座,土体网格的大小采用从边界到地铁车站结构附近逐渐加密的原则,塑料泡沫板和刚性箱边界的网格大小适当加大,如图 2 所示.模型地基土与地铁车站结构均采用四结点平面应变单元模拟,为了提高计算速度,模型地基土采用减缩积分单元,车站结构采用全积分单元;采用接触面对来模拟土与地铁车站接触面间的动力学传递特性.泡沫塑料模型土泡沫塑料图 2 模拟振动台试验的地基土一车站结构的二维有限元分析模型Fig.2Meshesofsoilsubwaystationstructuretwodimensionalfiniteelementanalysismod
14、elforshakingtabletest采用记忆型嵌套面黏塑性动本构模型模拟土体的动力特性,用室内水沉法制样测得各层土的密度,使用 SUMIT 浅层地震仪对模型地基进行面波测试测得模型地基土的平均剪切波速,综合土层的埋深与波速的关系,模型地基土的参数如表 1 所示.采用动塑性损伤模型模拟车站结构混凝土的动力特性.车站结构采用微粒混凝土,根据相似律确定模型参数,如表 2 所示.模型箱内衬的泡沫塑料板用可挤压泡沫模型,其弹性模量为 4.13MPa,泊松比为 0.07,密度为 15kg/m.表 1 模型土的物理与力学参数Table1Physicalandmechanicalparametersof
15、modelsoils表 2 地铁车站结构微粒混凝土的动塑性损伤模型参数Table2Dynamicplasticdamagemodelparametersofnficroconcreteforsubwaystationstructure模型参数参数值弹性模量 E/Mpa泊松比密度 p/(kg/m)扩张角(.)初始屈服压应力 t3r0/MPa极限压应力 t3r/Mpa初始屈服拉应力 m/MPa棚-“Jd0.85l040.18250032.43.9l5.690.680l00.13 数值模拟结果与振动台模型试验结果的对比分析3.1 加速度反应,在模型地基土的不同深度处埋设了加速度计,如图 1 所示.图
16、 3 和图 4 分别比较了lT 况 CK2 和 CE2m-lDi速度计 A1,A3,A6,A7,AIO 和 A12 记录的试验记录与数值模拟结果 ,工况编号的第二个字母 K,E 和N 分别表示输入 Kobe 波,E1Centro 波和南京人工波,数字 l,2,3 表示加载等级,下同.加速度计 Al,A3 位于模型土表面,由于表面土层较软,加速度计与土层之间发生较大的相对错动,数值模拟结果和试验记录之间存在一定的差距,另外,浅层土中的振动孑 L 隙水压力较高 ,土体动本构模型不能充分模拟土层软化后的动力非线性特性也是引起差距的一个方面;加速度计 A6,A7,AIO 和 A12 的试验记录与数值模
17、拟的加速度时l60 地震工程与工程振动第 28 卷程的波形,幅值和频谱组成基本吻合,表明本文的数值模拟方法可较好地模拟可液化地基上地铁车站的地震加速度反应;表 3 给出了工况 CK2,CN2 和 CE2 的测点峰值加速度,总体而言,输人 Kobe 波和南京人工波时数值模拟结果和试验记录之间的吻合程度比较好,而输人 ElCentro 波时的吻合程度略差一些.表 3 工况 CK2,CN2 和 CE2 的测点峰值加速度(单位:g)Table3PeakvaluesofaccelerationattestpointsunderloadconditionCK2,CN2andCE2(unit:g)O.6O.
18、40.2魁 0l5一 0.2曩一 0.4-0.6-0.8时间,目频率,lz时间,s频率/I-Iz时间,s频率/Hz时间,s时间,sO.6O.40.2魁 0甥 ll.2景.4-0.6-0.8时间,s图 3 工况 CK2 时模型地基不同深度处的加速度时程及傅氏谱比较频率/I-IzFig.3AccelerationtimehistoriesandFourierspectraindifferentdepthsofmodelsiteunderCK2testcondition642O2468noo毯嘲景e.艇艇氅.【)/避牲氅642O2468OOO毯嘲景642O2468ooo毯嘲景(I_自一面 樾艇氅.一,耳艇氅(1_s.旦面,准艇氅第 1 期陈国兴等:地铁车站结构大型振动俞试验与数值模拟的比较研究 l6l1O.8O.60.4赣一O.6一O.8O时间,s23O.8O.60.40.2型 0茕一 O.2-0.4一O.6量趔艇艇蝗频/I-Iz时间,s频/I-IzOOO0罂二 8一O
