全輕混凝土管廊在地震模擬作用下的動力響應試驗研究

楊艷敏，李子根，葛澤森，徐 冉，張志新

吉林建筑大學 土木工程學院,長春 130118

作為城市生命線工程的地下綜合管廊,其抗震設計研究一直為工程界所關注.廖智麒[1]通過ABAQUS軟件分析管廊在地震波作用下的動力響應,發現管廊內部應力最大值出現的位置是結構頂板與側墻板、底板與側墻板的連接處;羅韜[2]通過小波變換的Rayleigh地震波對管廊進行地震響應研究,發現管廊結構主要以受彎為主,且結構上部的應力變形大于結構底部的應力變形;薛偉辰等[3]人通過試驗,驗證了管廊整體變形是因管廊腋角處鋼筋屈服引起的.以上文獻都是基于普通混凝土管廊抗震性能展開的研究,而對于全輕混凝土管廊的抗震性能研究還較少,楊艷敏等[4]人通過研究得出全輕混凝土其受力特性、破壞機理以及延性性能都表現出良好的效果,為本試驗研究提供了一定的理論支撐.

輕骨料混凝土應用技術標準(JGJ/T 12-2019)[5]對輕骨料混凝土的定義是:用輕骨料、輕砂、水泥和水配置而成的干表觀密度不大于1 950 kg/m3的混凝土.其中，全部由輕砂做細骨料配制而成的輕骨料混凝土稱為全輕混凝土.本試驗采用LC 40級全輕混凝土的干表觀密度僅為1 700 kg/m3,比等強度普通混凝土輕30 %,能夠有效減輕結構地震作用.與普通混凝土相比,全輕混凝土輕質高強、保溫和隔熱性能好、耐火性能好和抗震性能好等優點.本文擬通過整體現澆式全輕混凝土管廊模型進行地震模擬振動臺試驗,研究腋角高度為30 mm的全輕混凝土管廊在單向水平地震波EL-Centro波作用下的動力響應,分析管廊結構加速度反應、層間位移和鋼筋應變,得出全輕混凝土管廊結構抗震性能.

1 試驗方案設計

1.1 模型箱設計

試驗振動臺采用的是英國SERVOTEST公司生產的地震模擬振動臺,最大滿載加速度為1.5 g,臺面尺寸為3 m×3 m.實際工程中,地下管廊埋置兩側邊界無限遠,模型箱的有限范圍必然會對試驗結果產生影響,為減少這種“邊界效應”[6-7]對試驗的影響,本試驗所用的模型箱是特制剛性模型箱[8-9],設計尺寸為2.6 m(平行于振動方向)×1.8 m(垂直于振動方向)×1.2 m(高),如圖1所示.

圖1 模型箱

模型箱采用邊角鋼焊接而成,用20 mm厚的木板作為內側擋板,并鋪設一層塑料薄膜以防止試驗土外漏,在擋板內部鋪設100 mm厚的聚苯乙烯泡沫板用于吸收地震波能量,在箱體內側和底板上粘接少量碎石,減少土體與模型箱產生相對滑動.

1.2 管廊結構設計

管廊模型的設計應滿足模型相似條件[10],依據試驗條件,確定加速度相似常數Sa為3,彈性模量相似常數SE為1,幾何相似常數SL為1/6,管廊模型材料采用全輕混凝土,通過相似量綱分析法和可控相似常數推算出其他的相似常數.試驗制作的全輕混凝土管廊模型長1.2 m,寬0.5 m,管廊模型截面尺寸如圖2所示.

圖2 管廊模型截面尺寸(mm)

圖3 頁巖陶粒

全輕混凝土管廊的制作:采用直徑6 mm的HPB 300級鋼筋作為管廊模型鋼筋的使用材料,采用強度LC 40的頁巖陶粒全輕混凝土作為模型管廊混凝土的使用材料,頁巖陶粒如圖3所示,根據等強度配比原則,確定試件配筋率為1.9 %.

1.3 觀測方案設計

鋼筋綁扎成型后,試件鋼筋骨架如圖4所示,4個應力片測點S-1,S-2,S-3和S-4的布置如圖5所示.在模型管廊側墻板頂端處設置1個位移傳感器即位移測點D-1,在模型管廊頂板、底板和側墻板的中心位置處各布置1個加速度傳感器即加速度測點A-1,A-2和A-3,如圖6所示.對加速度的動態采集使用東華測試生產的型號為DH 5922動態采集系統,最大連續采樣頻率256 000 Hz/通道,對鋼筋應變和層間位移的動態采集使用東華測試生產的型號為DH 5929動態采集系統,最大采集頻率20 000 Hz/通道,共64通道.

圖4 試件鋼筋骨架

1.4 加載方案設計

試驗采用地震波EL-Centro波作為振動臺的輸入波,采用垂直于模型縱軸線方向(X向)加載,加速度逐級遞增.為得出加速度峰值對管廊結構響應的影響,試驗設計了4種不同的工況,即加速度峰值分別為0.2 g,0.4 g,0.6 g,0.8 g,見表1.為研究管廊結構體系動力特性,每級加載前使用0.2 g白噪聲對結構體系進行掃描,通過加速度傳感器采集的數據分析研究管廊體系動力特性變化規律.

表1 加載工況

2 試驗結果分析

2.1 結構加速度響應

本文只列出了管廊結構試件在EL 2，EL 4工況下結構的加速度反應,實測A-1,A-2,A-3測點的加速度時程曲線與傅里葉頻譜如圖7～圖8所示,3個測點的加速度峰值見表2.

圖7 工況EL 2時結構加速度時程曲線和傅里葉頻譜

圖8 工況EL 4時結構加速度時程曲線和傅里葉頻譜

表2 測點的加速度峰值

根據試驗數據可知,全輕混凝土綜合管廊在同一工況作用下,結構頂板、側墻板以及底板加速度反應基本相同,工況EL 2,EL 4時加速度幅值差相差較小,分別為 0.131 g,0.156 g,傅里葉頻譜圖形變化也基本吻合,在EL 2,EL 4工況下的最高值出現點相同,分別在 16.015 6 Hz,14.062 5 Hz處,幅值差相差分別為0.003 1，0.016 3,表明全輕混凝土管廊結構在地震波作用下仍然具有良好的整體性.

對比同一工況3個測點的加速度峰值,頂板加速度峰值最大、側墻板次之、底板最小,表明在相同地震作用下,管廊頂板更容易發生破壞.

隨著地震波輸入峰值的增大,管廊結構各測點加速度峰值也隨之增大.傅里葉頻譜幅值增強，表明輸入能量越大,管廊結構反響越劇烈,可能造成的結構損壞就越嚴重.

2.2 層間位移反應

研究全輕混凝土管廊在振動過程中,結構頂板與結構底板的層間位移,通過簡易支架將位移傳感器固定在管廊結構內部頂板與側墻板連接處,簡易支架固定在管廊底板上,測得管廊結構分別在4種不同工況加載下的位移變化,如圖9所示.

圖9 管廊結構層間位移曲線

由管廊結構層間位移曲線可知,在EL 1,EL 2工況下,輸入地震強度較小,管廊結構整體位移變化不明顯,層間位移最大值分別為1.397 mm,3.784 mm;在EL 3,EL 4工況下,輸入地震強度增大,管廊模型結構整體位移變化明顯,層間位移曲線越來越密集,層間位移最大值分別為6.034 mm,8.088 mm;管廊結構試件的層間位移峰值隨地震波輸入峰值的增大而增大,EL 4工況比EL 1工況時增大6.691 mm，層間位移變化明顯.

2.3 鋼筋應變反應

研究全輕混凝土管廊在振動過程中腋角鋼筋應變和側墻板鋼筋應變反應,選取腋角鋼筋上S-1,S-2測點,側墻板鋼筋上S-3,S-4測點進行研究,結構鋼筋各測點的應變峰值,見表3.

腋角鋼筋各測點應變隨著地震波的增大而增大,在同一工況下底部腋角鋼筋應變明顯大于頂部腋角鋼筋應變,表明全輕混凝土管廊底部腋角處變形要大于頂部腋角處變形.

側墻板鋼筋各測點應變反應隨著地震波的增大而增大,管廊在EL 1,EL 2和EL 3工況,側墻板上部鋼筋應變峰值大于下部鋼筋應變峰值;在EL 4工況(強震作用),側墻板上部鋼筋應變突增,而下部因管廊與周圍土體之間出現剝離現象,土體對管廊結構體進行二次撞擊,管廊模型整體變形導致應變片瞬間損壞.依據EL 1,EL 2,EL 3工況說明全輕混凝土管廊在地震波EL-Centro波作用下側墻板上部更易受到破壞.

表3 管廊結構鋼筋應變峰值

3 結論

對腋角高度為30 mm的全輕混凝土管廊模型進行振動臺試驗,研究管廊在X軸單向振動下結構加速度反應、層間位移和鋼筋應變規律,分析結果如下:

(1)同一工況作用下,3個測點的加速度時程曲線、傅里葉頻率和相位相似度較高,在地震波增強時,僅在幅值有所增強,可知全輕混凝土管廊結構在地震波作用下整體性良好;

(2)對比管廊模型結構頂板、側墻板和底板的加速度反應,結構頂板、側墻板、底板峰值依次為1.090 g,1.033 g,0.992 g,表明在相同地震作用下,管廊頂板更容易發生破壞;

(3)管廊結構頂板與底板層間位移隨著地震波輸入峰值的增大而增大,最大層間位移為8.088 mm;

(4)腋角鋼筋各測點應變隨著地震波的增大而增大,在同一工況下底部腋角鋼筋應變明顯大于頂部腋角鋼筋應變,表明管廊底部腋角相較頂部腋角更易受到破壞.