来源：刘庭金博士工作室
作者：郑思源
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一、研究意义
传统地铁车站为单、双柱结构型式，结构柱及纵梁的存在极大地影响了车站空间利用效率和地铁运营服务功能，同时不利于内部管线布置及市政管线回迁等；
以大跨无柱车站结构为主的新型车站取消了结构柱，加之站台宽度的增加（一般大于10m），提高空间利用效率，更有利于地铁运营服务，满足乘客对于舒适出行的要求。
无柱地铁车站
广州地铁11号线（环线）拟建成大跨无柱新型地铁车站型式，线路全长44.1km，共设32座车站；其中拟建的石榴岗站等多个车站处于“上软下硬”（如上部淤泥、淤泥质土层，下部碎屑岩层）的地层条件。
然而复杂的地层条件给大跨无柱新型车站的建设带来诸多技术困扰与挑战，现有设计规范无法满足工程建设需求，相关研究亦未见报道，亟需对上述车站结构开展针对性研究。
广州市轨道交通十一号工程线路平面示意图
根据《市政公用设施抗震设防专项论证技术要点（地下工程篇）》（建质【2011】13号）的相关规定，需要对城市轨道交通工程进行抗震设防专项论证分析；
同时根据《城市轨道交通结构抗震设计规范（GB50909-2014）》要求，抗震设防地区的城市轨道交通结构必须进行抗震设计。
因此，亟需对广州地铁11号线复杂地层下的新型车站结构型式动力性能展开研究，以保证城市轨道交通运营的安全、可靠，保障人民的生命、财产安全。
运用振动台试验手段，可以更好地了解新型车站结构型式在“上软下硬”复杂地层的抗震性能，并研究抗震支吊架在地震动过程中的力学响应，以弥补现有规范和研究的缺乏，为即将开展的广州地铁11号线大跨无柱地铁车站的工程建设提供重要设计参考。
此外，本试验为华南理工大学首次开展地下结构振动台试验，将为后续地下结构的抗震设计及研究奠定坚实基础！
二、前期准备
为确保试验顺利实施，工作室走访了北京、上海等地的多家单位，同国内一流研究团队进行技术交流与学习，立足于大跨车站结构在复杂地层条件下的振动台试验方案开展探讨。
经过与广州地铁设计研究院的多次沟通，逐步完善大跨无柱车站振动台试验方案。
北京中国建筑科学研究院调研
上海同济大学调研
为优化试验中的模型参数及确定合理的计算工况，工作室基于ABAQUS通用有限元软件对不同跨度、不同型式的车站结构在不同地层、不同工况下的静动力响应进行大量的数值仿真分析，从而确定满足工程要求的车站跨度、结构型式、配筋设计等，
同时，确定模型在“上软下硬”地层中的摆放位置，为试验实施奠定良好的设计依据。
Kobe波下13m站台宽度车站有限元计算损伤云图
三、模型展示
车站结构按1:30进行模型制作，根据Buckinghamπ定理推导的相似比原则，确定车站模型材料采用微粒混凝土，通过开展多组微粒混凝土立方体抗压试验，验证相似材料实际弹性模量相似比。
在不影响模型整体刚度的前提下，模型结构上施加适当人工质量（配重）来弥补重力效应与惯性效应的不足。
同时，根据车站结构的实际配筋情况，模型采用镀锌钢丝模拟车站顶板、中板、底板及侧墙中的钢筋，并对其力学性能进行测试。
车站及抗震支吊架示意图
地基填料分两层，顶层为黏土，底层为V级围岩，厚度分别为0.65m和0.55m，根据数值分析结果，设置软硬地层交界面位于车站结构底层侧墙中部位置。
模型地基土软硬分界面示意图
同时，为研究抗震支吊架在地震动中的动力响应，模型采用支吊架系统局部放大方案，测量支吊架系统的应变，采用10mm宽方形空心钢材，管道与支架间采用焊接，车站内部预留钢丝与支吊架连接。
大跨无柱车站模型钢筋绑扎、支模
模型结构施加人工质量（配重）
四、测量布设
试验需要测试车站结构的应变、加速度反应、地基土的加速度反应、车站结构及地基土接触压力等。
车站结构设置主、辅助观测面布设电阻式应变片（46个）、应变式微型土压力计（12个）、美国PCB393B型加速度计（32个）进行应变、土压力和加速度的测量；
支吊架系统布设电阻式应变片（16个）进行应变测量；采用拉线位移计（4个）观测剪切箱体振动形态。
同时，对敏感部位的测量仪器涂抹防水胶及制作有机玻璃盒进行防水保护，以确保试验数据的有效性。
应变片焊接
应变片防水保护
应变片编号
土压力计布置
PCB393B型加速度计
加速度计的固定、防水处理
抗震支架应变片焊接
模型内部传感器布置
完成测量布设的模型结构
五、剪切箱制备
目前国内振动台试验采用的试验箱主要为层状剪切试验土箱，使得模型箱连同土体沿地震动方向上可产生不受约束的单向剪切变形，又不致产生垂直于振动方向的位移。
试验结合华南理工大学20t振动台的性能，采用自主设计的单向层状剪切土箱，尺寸为：3.2m×2.0m×1.4m，剪切箱由各自独立的层状矩形框架叠合拼装而成，每层框架由4根尺寸为120mm×60mm×4mm的矩形钢管焊接而成。
各层框架之间沿振动方向设置8个外径约60mm的单列向心轴承，形成可以自由滑动的支撑点，框架层间间隙为10mm。
底板设置加劲肋以避免吊装过程出现大变形；箱体外侧安装两限位框架限制垂直于振动方向的框架位移。
为防止试验中箱内土体的渗漏，工作室在剪切箱内部设置厚度为3mm的预制橡胶袋。在完成剪切箱的拼装、吊装及固定操作后，对空剪切箱进行自振频率测试。
剪切箱的拼装
剪切箱的吊装
剪切箱的固定
剪切箱自振频率测试
六、试验填料
针对“上软下硬”地层特征，工作室按照围岩密度要求，专门设计了模拟V级围岩材料的配合比，严格控制各组分材料的比例，并进行相应的试件力学性能测试控制材料性能指标。
工作室通过对多处工程场地的现场勘测和调研，采集合适的黏土作为试验中的软土材料。
剪切箱中的填料采用人工方式进行均匀洒落、分层压实，每次填料后需静置24小时，填筑过程同时埋设相关的测量仪器并注意对仪器的保护。
围岩材料试件制作
现场黏土
制备围岩材料
人工洒落、压实围岩材料
剪切箱内加速度计埋设
车站结构置于围岩上
在工作室全体成员的努力下，试验准备工作有序开展，振动台试验近期将于在华南理工大学亚热带建筑科学国家重点试验室开展。欢迎各位专家莅临参观、指导！届时52监测网将实时报道。
最后感谢刘庭金博士工作室对本次大跨无柱地铁车站振动台试验的分享，也感谢广州地铁集团有限公司及广州地铁设计研究院有限公司对本试验的大力支持！
END
