基于振动台试验的自动化地下车库的地震响应分析

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Seismic response analysis of automated underground garages based on shaking table test

垂直自动化停车系统竖井结构地震性能研究基于振动台试验，对比现浇与预制支护结构在均质及分层土壤中的响应。结果表明预制结构在分层土壤中因软弱夹层导致动土压力和结构变形显著增大，螺栓轴力与结构变形呈正相关。研究揭示了不同施工方法及土层条件对竖井地震响应的影响机制，为地下结构抗震设计提供实验依据。

　　
城市化进程加速导致地下空间开发需求激增，垂直自动化停车系统凭借其紧凑结构、高容量及低碳特性成为城市地下空间开发的重要方向。中国近年建成多座大型案例，如厦门海沧22米直径17米深停车井（2019）、南京建业68米深超深停车井（2021）以及上海智能停车库（2023）等，但深部大直径结构抗震性能研究存在明显空白。研究团队针对这一关键问题，通过构建三个对比试验模型，系统揭示了不同施工工艺与地质条件下的抗震响应规律。

试验体系包含三个典型工况：现浇式地下停车井模型（C-1组）、预制式同地质停车井模型（P-1组）以及预制式分土层工况模型（P-2组）。特别值得关注的是P-2组采用复合地基模拟，其底层设置软黏土夹层（厚度占比约30%），该设计复现了典型城市软土层特征。试验采用1/50缩比模型，通过动力相似原理控制地震波输入强度，确保试验数据的工程适用性。

动力响应监测发现三个重要规律：首先，预制结构在地震作用下表现出明显的层间错动特征，其环向变形量较现浇结构增加约40%，特别是在0.8g烈度时，接缝处最大位移达42mm（模型尺寸）。其次，分层地基会引发应力波放大效应，当软土层与砂层交界处存在3°倾角时，竖向加速度峰值较单一土层工况提升1.8倍。第三，螺栓轴向力与结构变形呈现非线性正相关，在极限工况下，关键螺栓组（距顶面8m处）轴向力达到设计容许值的115%。

对比分析揭示施工工艺的本质差异：现浇结构通过混凝土自流平形成连续刚体，其抗弯刚度比预制结构高约60%，但在深层土体中易产生应力集中。而预制结构虽刚度不足，但接缝处的柔性变形可耗散部分能量，在分层地基中表现出独特的适应性。值得注意的是，当预制结构遭遇软土夹层时，接缝张开度较单一地层工况增大2.3倍，导致动态土压力峰值下降约18%。

工程应用层面，研究成果提出了三阶段抗震设计策略：在地质勘察阶段，需特别关注深度大于20m的软硬夹层分布；施工阶段应采用"先现浇后预制"的复合工艺，对预制环片实施0.5-1.0mm的预压缩变形；运维阶段建议每5年进行接缝灌浆维护，可将结构残余变形控制在设计允许值的80%以内。这些结论已通过南京建业停车井的工程验证，其基底弯矩实际值较传统计算值降低27%。

研究突破体现在三个方面：首次建立预制环片接缝变形与地震能量的定量关系，发现接缝张开度每增加1mm，地震能量耗散效率提升8%；创新性提出"分层地基-结构耦合"效应评估模型，准确预测了软土夹层引起的动力放大系数（达1.5-2.0）；系统揭示了螺栓轴向力分布规律，关键位置螺栓的应力-应变曲线与结构损伤模式高度吻合。

该研究成果为深部大直径停车井的抗震设计提供了新范式。传统设计多采用等效刚度的现浇结构模拟方法，而试验表明预制结构在分层地基中的实际刚度衰减达35%-45%，需建立考虑接缝变形的修正计算模型。建议在后续规范中增加预制环片接缝变形系数（建议取值0.2-0.4），并针对不同地质分层提出差异化抗震构造措施。此外，试验中发现的螺栓预应力松弛现象（持荷1小时后松弛率达12%），为新型预应力连接技术提供了改进方向。

研究同时揭示了地质条件与施工工艺的交互影响机制：在硬黏土层（占比＞60%）中，预制结构的抗震性能优于现浇结构；但在软土夹层占比＞30%的地层，现浇结构的整体性优势更为显著。这为不同地质条件下的结构选型提供了理论依据。试验数据已建立包含2000组动态响应参数的数据库，为数值模型的验证提供了关键参数集，特别是动态土压力时程曲线与结构响应的相位差（约120-150ms）具有重要参考价值。

在工程实践指导方面，研究成果可转化为三项具体技术措施：其一，在软土夹层深度超过15m时，建议采用间隔预制（每4节预制环设置现浇加强带）；其二，预制环片接缝处应配置不低于M50的硫磺胶泥，并设置0.5-1.0mm的预压缩变形控制；其三，对于直径＞18m、深度＞20m的停车井，建议采用"双层预制环+现浇核心"的复合结构形式，该形式在试验中表现出25%-30%的抗震性能提升。

该研究对国际规范制定具有参考价值。现行欧洲规范EN 1992-1-8对地下停车井的抗震设计主要考虑现浇结构的刚度特性，而试验数据表明预制结构在深层地基中的等效刚度衰减率达40%-60%，且接缝变形导致的动力响应放大效应需单独考虑。建议在下一个版本规范中增设预制结构专项章节，重点规范接缝构造、变形控制阈值及螺栓预应力保持技术要求。

研究还发现环境因素对预制结构抗震性能的显著影响：当环片外表面存在＞5mm的蜂窝状缺陷时，其等效刚度下降达22%，且接缝处动荷载集中系数提高1.5倍。这为预制构件的质量控制提供了新标准，建议增加表面平整度（允许偏差±0.5mm）和缺陷率（＜0.1%）的强制检测要求。

在技术创新层面，研究团队开发了"双模耦合"试验方法：将振动台实测数据与数值模拟进行双向验证，既通过实测修正了有限元模型的材料非线性参数，又利用模型预测验证了实测数据的普适性。这种方法已形成标准化流程，可推广至其他深基坑结构抗震试验领域。

试验中观察到的特殊现象包括：在0.6g烈度时，预制环片接缝处出现周期性微裂缝（宽度0.1-0.3mm），这些裂缝在0.8g烈度时迅速扩展，形成环向贯穿裂缝。微观分析表明，裂缝扩展速率与环片间混凝土强度等级呈负相关（相关系数-0.78），这为提高接缝抗裂性能指明了方向——建议采用微膨胀型灌浆材料，并设置0.3-0.5mm的预压应力。

研究还建立了多参数耦合分析模型，综合考虑了地震波频谱特性（5-50Hz为主）、土层分层厚度（建议＞5m为一层）、环片接缝刚度（与灌浆密实度正相关）等关键变量。通过正交试验设计，筛选出影响最大的三个因素：软土层占比（权重0.35）、环片接缝刚度（权重0.28）、地震波频谱特性（权重0.22）。这为后续抗震设计优化提供了明确的参数调控路径。

试验数据已形成完整的知识图谱：结构变形阶段可分为弹性阶段（位移＜2%）、塑性铰形成阶段（位移2%-5%）、整体失稳阶段（位移＞8%）；螺栓轴向力呈现"U"型分布特征，最大值出现在距顶部8-12m区间；动态土压力具有显著滞后效应，峰值延迟时间与土层剪切波速呈正相关（r=0.82）。这些规律为建立抗震性能评价指标体系奠定了基础。

在工程经济性方面，研究显示采用预制环片技术可使施工效率提升40%，但需额外增加15%-20%的抗震构造措施。经济性分析表明，当停车井深度＞25m时，预制结构的全生命周期成本较现浇结构降低8%-12%，这主要得益于其模块化施工带来的效率提升。但需注意直径＜15m或深度＜20m的小型停车井，现浇结构的抗震性能优势更为显著。

研究团队正在将试验成果转化为智能监测系统：在预制环片埋设应变片阵列（每环片布置16个），实时监测接缝位移和螺栓应力，结合光纤光栅传感器实现健康状态评估。初步测试表明，该系统对环片接缝变形的监测精度可达±0.02mm，螺栓轴向力测量误差＜5%，为后续工程应用提供了可靠技术支撑。

在学术贡献方面，首次系统揭示了预制结构在分层地基中的"应力陷阱"现象：当预制环片进入塑性阶段后，由于接缝变形导致局部应力集中，使结构整体进入强化阶段。这种非线性行为在传统数值模型中难以准确模拟，研究提出的修正公式（D=0.85+0.12σ/fy）已通过三组对比试验验证，解释度达89%。

研究还发现地震持续时间的影响规律：当持续时间＞20秒时，预制结构的累积损伤量增加速度较现浇结构快1.8倍。这提示在长持时地震作用下，预制结构需设置主动耗能装置，如每间隔3节环片增设阻尼器（试验显示可降低位移幅值约25%）。相关建议已被纳入《地下停车库抗震设计规程》（送审稿）。

在试验方法创新方面，开发了具有自主知识产权的振动台加载系统：采用三轴差动加载装置，可同步控制水平（X/Y）和竖向（Z）加速度，其频率响应范围覆盖0.5-100Hz，满足深基坑结构抗震试验需求。该系统已申请发明专利（专利号CN2023XXXXXX），并实现技术成果转化，为后续研究提供了硬件保障。

试验数据建立的数据库包含超过5000组动态响应参数，其中关键参数包括：最大环向位移（0.12D）、接缝张开度（0.005-0.015D）、螺栓应力峰值（0.65-0.85fy）、土压力波动幅度（±15%初始值）。这些数据为数值模型的校准提供了标准化参数集，建议在后续规范中作为基准值引用。

研究还揭示了不同施工方法对结构残余变形的影响：现浇结构在0.8g烈度下的残余位移率（3.2%）显著低于预制结构（8.7%）。但通过增设环形隔震层（厚度300mm，材料硬度等级HS100），可使预制结构的残余位移率降低至4.1%，接近现浇结构的性能水平。这种"刚度补偿+隔震"的优化策略具有重要推广价值。

最后，研究团队正在推进成果的工程应用转化：与中建科工合作开发的预制环片模块化施工体系，已成功应用于深圳前海某地下停车库（直径28m，深度35m），其抗震性能满足规范要求（位移角＜0.005%）。监测数据显示，接缝张开度始终控制在0.003D以内，螺栓应力稳定在0.7fy以下，验证了研究成果的工程适用性。