地铁车站结构振动台试验中传感器位置的优选1前 言 自阪神地震发生以来，国内尤其是上海对软土地铁区间隧道和车站结构开展建立抗震设计方法的研究已日益重视，并已取得多项成果[1，2]。然而由于缺少有针对性的强震记录，研究者们对地震荷载作用下软土地区区间隧道和车站结构的地震响应尚缺乏感性认识，因而极有必要通过振动台模型试验了解软土地铁车站结构在地震荷载作用下动力反应的特性及其规律，同时积累试验数据，为建立软土地下结构抗震的计算理论及设计方法提供必要的资料。 同济大学对软土地铁车站结构进行了振动台试验，并取得了可信的数据[3～5]。试验工作的开展遇到了许多困难，项目研究对涉及的问题逐一开展了研究，并提出了解决方法，其中之一就是传感器设置位置的优选。在这一领域进行的试验设计研究主要包括： （1）按三维问题的分析对地铁车站结构施加横向激振力，据以确定在沿车站长度方向上，结构受力变形的特征符合平面应变假设条件的部位，以确定主要监测断面的合理位置，使由其获得的量测信息可为按平面应变问题的分析建立计算理论的研究提供依据； （2）二维平面应变问题的分析对地铁车站结构施加横向激振力，据以确定横断面上结构构件受力变形较大的部位，并在这些部位设置传感器，使获得的量测信息可有较大的峰值，以减小仪表读数误差对计算分析结论的影响； （3）对各类传感器数量的确定进行了研究，使可在满足基本信息采集要求的前提下，对可供采用的信息采集通道作优化分配。2量测信息与传感器类型的选择 本次试验的量测信息选为在振动台激振过程中，记录结构模型构件的应变值、模型土和结构模型的加速度值及模型土与结构模型之间的接触压力值，选用的传感器分别为电阻应变传感器、压电式加速度传感器及电阻应变片式土压力盒。应变片的栅长为5×2 mm，型号为BCL120-10AA；压电式加速度计的型号为CA-YD型；土压力盒采用专供测量模型结构动态接触压力的BY-3型传感器。若将加速度传感器直接埋置在模型土中，模型土含水量较高时会影响加速度计的正常工作，且加速度计的质量密度远大于模型土的密度，试验过程中有可能出现与土耦合振动的情况，故需将其改装。本次试验采用陈跃庆的改装方法，即将加速度计粘贴在采用有机玻璃制作的密闭盒中，尺寸依据使经改装后盒子的加速度的当量质量密度与同体积模型土的质量密度相等的原则确定。经改装后的加速度计的外观形状见图1。
3地铁车站结构的变形趋势 3.1端部约束对地铁结构的影响 典型地铁车站结构横断面的形式如图2所示。
由图可见两层三跨箱形结构宽21.24 m，高12.39 m，中柱截面尺寸为600 mm×900 mm，间距为8 m，地铁车站结构的长度约达300 m，而可供采用的模型箱长度仅约3 m，可见如按实际尺寸模拟车站结构的长度，必将很难选定合适的相似系数。鉴于地铁车站结构在垂直于长轴方向的横向惯性力的作用下，与区间隧道间的接头结构将仅对车站两端的结构的地震响应产生较大的影响，故按弹性问题借助三维有限元方法对车站结构的受力状态进行了数值模拟，以探讨在确保车站结构的受力特征保持基本不变的前提下，将其纵向长度适当缩短的可能性。 计算长度沿纵向取14跨，总长112 m，车站两端假设存在厚20 cm的钢筋混凝土封头板。计算区域取为长112 m、宽103 m、深70 m的立方体，其中宽度方向在车站结构的横断面上。计算中采用的场地地质剖面见图3，土层分布及其主要物理力学特性参数见表1。计算荷载取为相当于2 %概率水准下的等代地震荷载（即加速度= 0.049 g），并沿车站横向施加。有限元分析中，车站结构的顶底板、中楼板、墙板、端墙及底纵梁均离散为板单元，梁、柱离散为三维梁单元，周围土体离散为空间八结点块体元。对位于底部边界面上的结点，在垂直和水平方向上均设置了连杆；对在4个垂直于水平面的边界面上的结点均设置了竖向约束，并令水平向可自由变形；上部地表面边界为自由边界。 对由上述计算模型算得的地铁车站结构的内力，以水平地震作用下中柱的弯矩为例分析其规律性。为此将沿纵向轴线共13个中柱的相对弯矩（以位于车站中间部位的中柱的弯矩为基准的比值）示于图4，由图可见：
（1）自车站结构的两端起，柱端弯矩均逐渐增大，达一定距离后变化趋于平缓，相对弯矩值成为常数，并等于1； （2）离端部0.38倍车站宽度时，中柱端部弯矩与最大弯矩相差仅约5 %～9 %，可见在端部附近，结构内力变化较剧烈； （3）离端部0.76倍车站宽度时，中柱端部弯矩与最大弯矩相差仅约1 %～2 %； （4）离端部1.14倍车站宽度时，中柱端部弯矩与最大弯矩已近似相等。 上述结果表明，当车站结构横断面离相近端的距离达0.76倍车站宽度时，采用平面应变假设对其进行分析时误差已可忽略；当横断面离相近端的距离大于其宽度的1倍时，变形性态已可满足平面应变假设的要求。这类规律符合圣维南原理，因而本次试验拟将车站结构模型的纵向长度取为2×W+L（W为车站宽度，L为中间区段的长度），并认为中间区段的受力变形状态可按平面应变问题进行分析。与此同时，试验设计研究认为本次振动台试验宜在沿垂直于地铁车站结构模型长轴的方向上施加水平向单向激振，并在车站结构模型离端部0.76倍截面宽度以远的位置上设置量测断面，同时在二端设置必要的量测元件用于监测接头结构空间效应的影响程度。3.2 横向激振下地铁车站结构的受力变形状态 对图2所示地铁车站结构，采用有限元方法按平面应变问题计算了地震作用下结构表面的侧向土压力及构件的应变变化规律。场地地质剖面与土层主要物理力学特性参数与三维计算状况中相同。 有限元分析中，车站结构的顶底板、中楼板、墙板（不含与其相连的用作基坑围护结构的地下连续墙）及底纵梁均离散为梁单元（不含站台板），周围土体离散为四边形单元，如图5所示。计算区域呈长方形，宽103 m，深70 m，厚8 m。其中宽度方向在车站结构的横断面上，厚度取为中柱轴线的间距。计算荷载取为与2 %概率水准相当的等代地震荷载（即加速度a = 0.049 g），并沿车站横向施加。鉴于取用的等代地震荷载为与车站结构的纵向轴线垂直的水平地震荷载，对在70 m深度处的底部边界面上的有限元网格的结点，在垂直和水平方向上均设置了链杆；对在2个侧向边界面上的结点，均设置了竖向链杆，并令水平向均可自由变形；地表面为自由边界。
等代地震荷载作用下地铁车站结构的变形趋势见图6，结构构件的相对应变（梁、柱等同类构件不同部位的应变值与该类构件最大应变值的比值）及相对侧向土压力（侧墙在不同部位上的侧向土压力值与侧墙最大侧向土压力值的比值）见图7。由图可见其主要特点为： （1）如以地铁车站结构的底板为基准，则顶板处的剪切变位最大，中楼板处次之。而在构件挠曲程度方面，中柱明显大于顶板、中楼板和侧墙。 （2）计算表明构件均在靠近相互间的交接点处应变较大。对于中柱，下层中柱的下端应变最大，上层中柱的上端次之；对于顶板，靠中柱处的应变最大，靠侧墙处最小；对于侧墙，靠近底板处应变最大，靠中楼板上表面次之。 （3）计算表明，在地铁车站结构的外侧，顶板、中楼板和底板处的最大动土压力值互不相同，比较结果为底板处最大，中楼板处次之，顶板处最小。若以底板处的最大动土压力值为1，则中楼板和顶楼板处分别为0.61和0.19。
4传感器的布置方案 4.1 传感器设置位置的确定原则 根据以上研究得到的结果，拟将传感器设置位置的确定原则选为： （1）在离端部距离超过车站结构跨度的部位设置横向观测断面，并主要在横断面上设置传感器。 （2）对车站结构，横向观测断面沿中柱轴线所在位置设置，以便使量测信息的工况可与二维平面应变问题的假设基本相符。 （3）横向观测断面的数量须多于2个，并以其中之一为主观测断面，余为辅助观测断面。在主观测断面上设置的传感器应多于辅助观测断面，在辅助观测断面上设置的传感器应与主观测断面位置相同，以便相互比较。 （4）在主观测断面上，对部分构件的同一关键部位重复布设传感器（应变计），以便通过对比进一步检验在本次试验中传感器的量测精度和可靠性。 （5）在主观测断面的中柱的关键部位同时在两侧布设应变传感器，以便对柱两侧的受力变形状态进行对比检验。 （6）在结构模型与端墙相近的部位上布设少量传感器，以便通过对比检验端墙对结构受力变形状态产生影响的范围。42典型地铁车站结构振动台模型试验中传感器的布置方案 典型地铁车站结构模型试验中，对车站结构模型共设置了3个观测断面（图8），位置均与中柱轴线重合。其中2个位于车站结构的中部，另一个与③轴重合。位于中部的2个观测断面中，与⑤轴重合的断面为主观测断面，与⑥轴重合的断面为辅助观测断面。另一观测断面离端部距离为0.538 m (=21.24×0.76/30 m)，用于接收可用于鉴别纵向边界约束对地震响应影响的信息。 图8表明典型地铁车站结构振动台模型试验采集的信息为模型土和结构的加速度值，结构模型构件的应变值，以及模型土与结构之间的接触压力值。其中加速度传感器共设8个，应变计23个，土压力盒7个。
5结 语 在模拟地震的振动台试验中，传感器的布置方式对能否获得可信的试验结果至关重要。本文针对地铁车站结构振动台模型试验中量测信息采集进行了研究，所获成果为获得可信的试验数据提供了必要的保证，由此为地铁车站结构振动台试验的顺利进行奠定了基础，并可供今后开展涉及大型地下构筑物的振动台模型试验借鉴。参 考 文 献 [1] 周德培. 浅埋明挖地铁车站结构的抗震性研究[J]. 岩土力学, 1997, 18(增刊): 156－160.[2] 杨林德, 李文艺, 祝龙根等. 上海市地铁区间隧道和车站的地震灾害防治对策研究[R]. 上海: 同济大学上海防灾救灾研究所, 1999, 6.[3] 杨林德, 陆忠良, 白廷辉等. 上海地铁车站抗震设计方法研究[R]. 上海: 同济大学上海防灾救灾研究所, 2002. 6. [4] 季倩倩. 地铁车站结构振动台模型试验研究[博士学位论文D]. 上海: 同济大学, 2002. [5] 杨林德, 季倩倩, 郑永来等. 软土地铁车站结构的振动台模型试验[J]. 现代隧道技术, 2003, 40(1): 7－11.
