第 37 卷 第 期 岩 土 力 学 Vol.37 No. 1 年 月 Rock and Soil Mechanics Feb. 1 DOI:1.185/j.rsm.1.. 软 土 场 地 地 铁 车 站 结 构 地 震 反 应 特 性 振 动 台 模 型 试 验 1, 陈 国 兴, 陈 苏 3 1,, 左 熹, 戚 承 志, 杜 修 力 5, 王 志 华 (1. 南 京 工 业 大 学 岩 土 工 程 研 究 所, 江 苏 南 京 19;. 江 苏 省 土 木 工 程 防 震 技 术 研 究 中 心, 江 苏 南 京 19; 3. 中 国 地 震 局 地 球 物 理 研 究 所, 北 京 181;. 北 京 建 筑 大 学 土 木 与 交 通 工 程 学 院, 北 京 1;5. 北 京 工 业 大 学 建 筑 工 程 学 院, 北 京 1) 1, 摘 要 : 作 为 地 铁 车 站 结 构 地 震 破 坏 机 制 大 型 振 动 台 系 列 模 型 试 验 之 一, 开 展 了 近 远 场 强 地 震 动 作 用 下 软 弱 粉 质 黏 土 场 地 框 架 式 地 铁 车 站 结 构 体 系 的 大 型 振 动 台 模 型 试 验 测 试 分 析 了 模 型 地 基 的 加 速 度 孔 压 地 表 震 陷 和 模 型 结 构 的 加 速 度 应 变 水 平 位 移 反 应 等 结 果 表 明 : 地 震 波 在 模 型 地 基 的 传 播 过 程 中 呈 现 出 自 下 而 上 低 频 增 大 高 频 减 小 的 现 象 ; 强 地 震 动 作 用 下 模 型 地 基 的 基 频 明 显 降 低, 呈 现 出 明 显 的 低 频 聚 集 ( 放 大 ) 高 频 滤 波 效 应 ; 模 型 地 基 的 孔 压 比 增 长 较 小, 在 不 同 特 性 地 震 动 作 用 下 模 型 地 基 孔 压 比 的 发 展 过 程 存 在 较 大 的 差 异, 并 显 示 出 显 著 的 空 间 效 应 ; 近 远 场 地 震 动 作 用 下 模 型 地 下 结 构 的 加 速 度 反 应 存 在 明 显 差 异, 模 型 地 下 结 构 对 软 土 地 基 地 震 动 加 速 度 反 应 的 影 响 具 有 显 著 的 空 间 效 应 ; 模 型 地 下 结 构 相 对 变 形 小 未 出 现 明 显 上 浮 现 象, 地 震 动 频 谱 特 性 对 其 侧 墙 的 变 形 模 式 和 大 小 存 在 显 著 的 影 响 ; 模 型 结 构 中 柱 为 地 震 损 伤 最 严 重 部 位 ; 模 型 结 构 整 体 损 伤 情 况 较 轻 处 于 非 破 坏 状 态 关 键 词 : 振 动 台 模 型 试 验 ; 软 弱 场 地 ; 地 铁 车 站 结 构 ; 地 震 损 伤 特 性 ; 空 间 效 应 中 图 分 类 号 :U 31 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1-7598 (1) -331-1 Shaking table test on seismic response of subway station structure in soft ground CHEN Guo-xing 1,, CHEN Su 3, ZUO Xi 1,, QI Cheng-zhi, DU Xiu-li 5, WANG Zhi-hua 1, (1. Institute of Geotechnical Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing, Jiangsu 19, China;. Civil Engineering & Earthquake Disaster Prevention Center of Jiangsu Province, Nanjing, Jiangsu 19, China; 3.Institute of Geophysics, China earthquake administration, Beijing 181, China;. School of Civil and Transportation Engineering,Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 1, China; 5. College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 1, China) Abstract: As one of the series large-scale shaking table tests on the failure mechanism of subway station structure, a large-scale shaking table test on frame type subway station structure model in soft silt clay under near- and far-field strong ground motions is conducted, in which the acceleration, pore pressure and earthquake-induced settlement of the model ground as well as the acceleration, strain and horizontal displacement of the model structure are measured and analyzed. The results show that as the seismic wave propagates in the model ground, the amplitude of the low frequency components increases while the amplitude of the high frequency components decreases from the bottom to the top of the ground. Under strong ground motions, the fundamental frequency of the model ground significantly decreases, and the ground exhibits a remarkable amplification effect for low frequency components and wave filtering effect for high frequency components. The pore pressure ratio of the model ground slightly increases. The development processes of pore pressure ratios under different ground motions are greatly different, and show an obvious spatial effect. Under near- and far-field strong ground motions, the acceleration responses of the model structure are obviously different. The model structure has a significant spatial effect on the acceleration response of the ground motion for the soft ground. The frame structure does not show an obvious floating phenomenon and its relative deformation is small. The frequency characteristics of the ground motion have an obvious influence on the deformation mode and magnitude of the side wall for the model structure. The most severely seismic damage part is located at the middle column of the model structure. The whole model structure is slightly seismic damaged and in nondestructive state. Keywords: shaking table model test; soft ground; subway station structure; seismic damage behavior; spatial effect 收 稿 日 期 :1-9-18 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 重 大 研 究 计 划 集 成 项 目 (No. 911531); 北 京 市 属 高 等 学 校 创 新 团 队 建 设 与 教 师 职 业 发 展 计 划 项 目 (No. IDHT1351) This work was supported by the Major Research Plan Program of National Natural Science Foundation of China (911531), and the Project of Construction of Innovative Teams and Teacher Career Development for Universities and Colleges Under Beijing Municipality (IDHT1351). 第 一 作 者 简 介 : 陈 国 兴, 男,193 年 生, 博 士, 教 授, 研 究 领 域 为 岩 土 地 震 工 程 土 动 力 学 E-mail: gxchen@njtech.edu.cn
33 岩 土 力 学 1 年 1 引 言 随 着 城 市 ( 群 ) 化 进 程 的 快 速 发 展, 带 来 了 城 市 ( 群 ) 空 间 蔓 延 交 通 拥 挤 现 象 以 地 铁 为 主 的 城 市 轨 道 交 通, 具 有 舒 适 性 安 全 性 便 捷 性 准 时 性 运 量 大 等 优 势, 已 成 为 缓 解 城 市 交 通 困 难 的 有 效 途 径 但 近 年 的 地 震 灾 害 现 象 表 明, 地 铁 地 下 结 构 在 强 地 震 动 作 用 下 也 会 发 生 严 重 的 震 害 及 次 生 灾 害, 地 铁 地 下 结 构 的 地 震 安 全 性 已 引 起 社 会 的 高 度 关 注 近 年 来, 国 内 外 学 者 相 继 开 展 了 不 同 场 地 条 件 不 同 截 面 形 式 不 同 模 型 材 料 的 地 下 结 构 大 型 振 动 台 或 离 心 机 模 型 试 验 研 究, 取 得 了 一 些 很 有 价 值 的 研 究 成 果 [1 15] 本 次 试 验 是 笔 者 正 在 实 施 的 地 铁 地 下 车 站 结 构 地 震 破 坏 ( 损 伤 ) 机 制 大 型 振 动 台 系 列 模 型 试 验 ( 软 土 与 可 液 化 土 模 型 地 基 ; 石 膏 与 微 粒 混 凝 土 模 型 结 构, 二 层 二 跨 三 层 三 跨 框 架 式 与 三 拱 立 柱 拱 形 车 站 模 型 结 构, 破 坏 性 与 非 破 坏 性 模 型 试 验 ) 之 一 [13 15], 目 的 是 通 过 近 远 场 强 地 震 动 作 用 下 软 土 场 地 地 铁 地 下 车 站 结 构 地 震 反 应 特 性 的 模 型 试 验, 分 析 软 土 地 基 的 加 速 度 反 应 特 性 地 表 震 陷 特 征 地 下 结 构 的 加 速 度 应 变 和 水 平 位 移 反 应, 探 索 软 土 场 地 和 地 铁 地 下 车 站 结 构 体 系 的 地 震 反 应 规 律, 揭 示 软 土 场 地 条 件 下 三 层 三 跨 地 铁 地 下 车 站 结 构 的 地 震 损 伤 与 灾 变 机 制 试 验 概 况.1 振 动 台 试 验 设 施 模 型 地 基 与 模 型 结 构 设 计 试 验 在 南 京 工 业 大 学 大 型 振 动 台 上 完 成 该 地 震 模 拟 振 动 台 采 用 美 国 MTS 公 司 的 电 液 伺 服 加 载 与 控 制 系 统, 其 主 要 参 数 : 台 面 尺 寸 为 3.3 m.8 m 最 大 载 重 量 为 5 t 水 平 最 大 加 速 度 为 1. g 工 作 频 率 为.1~5 Hz; 采 用 自 行 研 发 的 15 层 叠 层 剪 切 型 土 箱 安 装 模 型 土 和 基 于 虚 拟 仪 器 技 术 的 98 通 道 动 态 信 号 采 集 系 统 采 集 各 类 传 感 器 的 测 试 数 据 [1 17] 模 型 地 基 以 剪 切 波 速 密 度 和 重 力 加 速 度 为 基 本 物 理 量 模 型 结 构 以 几 何 长 度 弹 性 模 量 加 速 度 为 基 本 物 理 量, 为 对 比 分 析 不 同 条 件 下 模 型 试 验 的 差 异 性, 地 铁 地 下 车 站 模 型 结 构 的 几 何 比 例 均 选 为 1:3, 模 型 地 基 - 模 型 结 构 体 系 的 相 似 比 设 计 详 见 文 献 [1] 模 型 地 基 土 分 为 层 : 表 层 土 为 黏 土, 厚 为 15 cm, 其 余 为 饱 和 粉 质 黏 土, 厚 为 15 cm; 模 型 结 构 的 上 覆 土 层 厚 度 为 1 cm 采 用 分 层 法 制 备 模 型 地 基 土, 每 层 土 厚 度 控 制 为 5 cm, 每 层 土 装 好 后, 用 木 板 将 土 层 表 面 扫 平 为 使 粉 质 黏 土 充 分 固 结, 装 样 完 毕 后, 模 型 地 基 土 在 饱 和 状 态 下 静 置 3 d 在 振 动 台 试 验 前 取 土 样 进 行 室 内 试 验, 测 得 土 样 密 度 为 1.7 g/cm 3, 动 剪 切 模 量 比 G / G 阻 尼 比 与 剪 应 变 幅 值 的 关 系 曲 线 如 图 1 所 示 采 用 德 国 SUMIT 浅 层 地 震 仪 测 试 模 型 地 基 土 的 平 均 剪 切 波 速, 试 验 前 的 模 型 地 基 平 均 剪 切 波 速 为 7.9 m/s, 试 验 后 模 型 地 基 平 均 剪 切 波 速 为 83.3 m/s 按 相 似 比 计 算 的 模 型 结 构 强 度 和 刚 度 要 求, 确 定 了 微 粒 混 凝 土 的 配 合 比 及 镀 锌 钢 丝 的 使 用 量, 模 拟 钢 筋 的 镀 锌 钢 丝 直 径 为.7~1. mm, 梁 柱 箍 筋 板 的 钢 丝 直 径 分 别 为 1..9.7.9 mm, 模 拟 原 型 混 凝 土 的 微 粒 混 凝 土 配 合 比 为 水 : 水 泥 : 石 灰 : 粗 砂.5:1:.58:5 为 考 虑 原 型 结 构 的 惯 性 力 效 应, 根 据 模 型 结 构 的 承 载 能 力, 采 用 不 完 全 配 重 法 在 模 型 结 构 每 层 楼 板 各 均 匀 布 置 1 kg 铅 块, 共 计 8 kg, 附 加 配 重 约 占 完 全 配 重 的 5% 模 型 结 构 截 面 见 图 G/Gmax 1..8..... 1-1 -5 1-1 -3 1-1 -1 图 1 试 验 粉 质 黏 土 的 G/G max - 和 - 曲 线 Fig.1 G/G max - and - curves of silt clay for model ground 3 3 1 1 35 图 地 铁 车 站 模 型 结 构 设 计 图 ( 单 位 :mm) Fig. Dimensions of the model structure of subway station (unit: mm). 试 验 加 载 工 况 (Z1) (Z) (Z3) 3 183 75 G/G max- 曲 线 - 曲 线 3 (L1) (Z1) 3 5(L) (Z) 3 3(L3) (Z3) 3 3(L) 3 max 为 研 究 近 远 场 强 地 震 动 特 性 对 软 土 场 地 地 铁 地 下 车 站 结 构 地 震 反 应 的 影 响, 选 择 有 代 表 性 的 输 入 地 震 动 为 8 年 汶 川 Ms8. 级 地 震 露 头 基 岩 地 震 纪 录 什 邡 波 松 潘 波 和 Taft 波, 如 图 3 所 示 什 邡 波 是 中 国 汶 川 大 地 震 什 邡 八 角 台 站 的 地 震 记 录, 3 1 35 3 3 1 1 3 151 151 577.5..3..1
第 期 陈 国 兴 等 : 软 土 场 地 地 岩 铁 车 站 土 结 构 地 力 震 反 应 学 特 性 振 动 台 模 型 试 验 1 333 年 峰 值 加 速 度 PGA.58g, 断 层 距 为 1 km, 属 于 近 场 地 震 动 ; 松 潘 波 是 汶 川 地 震 松 潘 台 站 的 地 震 记 录, PGA.1g, 断 层 距 为 1 km, 属 于 远 场 地 震 动 ;Taft 地 震 波 是 美 国 加 利 福 尼 亚 州 Kern 县 的 地 震 记 录, PGA.15g, 断 层 距 为 1 km, 属 于 中 远 场 地 震 动 振 动 台 模 型 试 验 中 采 用 的 输 入 地 震 动 时 间 缩 尺 比 为 1:, 试 验 加 载 工 况 见 表 1 表 1 大 型 振 动 台 模 型 试 验 的 加 载 工 况 Table 1 Loading conditions for shaking table tests 工 况 序 号 输 入 地 震 动 工 况 代 号 峰 值 加 速 度 PGA / g 1 白 噪 声 B1. 持 续 时 间 松 潘 波 SP-1.1 1 3 Taft 波 TA-1.1 15 什 邡 波 SF-1.1 1 5 白 噪 声 B. 什 邡 波 SF-.3 1 7 白 噪 声 B3. 8 什 邡 波 SF-3.5 1 9 松 潘 波 SP-3.5 1 1 Taft 波 TA-3.5 15 11 白 噪 声 B. / s.3 传 感 器 的 布 置 试 验 中 测 试 模 型 地 基 的 加 速 度 孔 压 地 表 震 陷 和 模 型 结 构 的 加 速 度 应 变 水 平 位 移, 试 验 所 用 各 类 传 感 器 型 号 见 表 选 取 模 型 地 基 中 间 截 面 为 主 观 测 面, 并 在 与 主 观 测 面 并 行 的 前 后 方 设 置 两 个 次 观 测 面, 以 测 量 地 基 土 加 速 度 和 孔 压 的 三 维 分 布 场, 模 型 地 基 模 型 结 构 的 传 感 器 布 置 见 图 ~, 共 有 加 速 度 计 17 个 孔 压 计 17 个 ( 编 号 W11 W1 W1 W15 和 W19 未 用 ) 位 移 计 个 应 变 片 3 个 传 感 器 编 号 A 代 表 加 速 度 计 W 代 表 孔 压 计 J 代 表 激 光 位 移 计 D 代 表 拉 线 式 位 移 计 S 代 表 应 变 片 表 软 土 场 地 地 铁 车 站 结 构 振 动 台 模 型 试 验 的 各 类 传 感 器 Table Sensors of shaking table test of subway station structure at soft ground 传 感 器 类 型 加 速 度 计 传 感 器 型 号 信 号 类 型 激 励 信 号 3711D1FB3G ICP ma 电 流 LC71-3AM 电 压 5 V 电 压 孔 压 计 GE PDCR81 电 压 5 V/ ma 位 移 计 RLA 电 流 15~3 V 直 流 电 压 WS1KR 电 阻 1 V 供 压 应 变 片 BX1 电 阻 V 供 压 加 速 度 / g... -. -. 什 邡 波 8 1 加 速 度 / g.... -. -. -. 松 潘 波 8 1 加 速 度 / g.1.8.. -. -.8 -.1 3 9 1 15 Taft 波 (a) 加 速 度 时 程 傅 里 叶 谱 值 / (1 - m/s) 3 5 15 1 5 什 邡 波 5 1 15 5 3 傅 里 叶 谱 值 / (1-3 m/s) 3 5 15 1 5 松 潘 波 5 1 15 5 3 傅 里 叶 谱 值 / (1-3 m/s) 1 8 Taft 波 5 1 15 (b) 加 速 度 傅 里 叶 谱 图 3 大 型 振 动 台 试 验 的 输 入 地 震 动 加 速 度 时 程 与 傅 里 叶 谱 Fig.3 Ground motion acceleration time histories and Fourier spectra of ground motion in large-scale shaking table tests 3 试 验 结 果 分 析 3.1 模 型 体 系 自 振 频 率 与 阻 尼 比 根 据 试 验 加 载 方 法, 在 试 验 中 的 不 同 阶 段 分 别 对 模 型 体 系 进 行 白 噪 声 扫 描, 利 用 白 噪 声 数 据 求 得 模 型 体 系 的 自 振 频 率 和 阻 尼 比 见 表 3 由 表 可 知, 随 着 输 入 地 震 动 峰 值 加 速 度 的 不 断 增 加, 模 型 体 系 的 一 阶 自 振 频 率 不 断 降 低, 而 阻 尼 比 不 断 增 大, 这 表 明 随 着 输 入 地 震 动 峰 值 加 速 度 的 增 加, 模 型 结 构 体 系 发 生 损 伤 和 塑 性 变 形 3. 地 基 土 加 速 度 反 应 及 其 空 间 效 应 主 观 测 面 模 型 地 基 加 速 度 放 大 系 数 见 图 7 在 PGA.1g 的 不 同 地 震 动 作 用 下 ( 见 图 7(a)), 模 型 地 基 的 地 震 动 放 大 效 应 较 为 相 近, 地 表 PGA 放 大
第 33 期 陈 国 兴 等 : 软 土 场 地 岩 地 铁 车 土 站 结 构 力 地 震 反 学 应 特 性 振 动 台 模 型 试 验 1 年 系 数 介 于 1.15~1.5 在 PGA.5g 的 不 同 地 震 动 作 用 下 ( 见 图 7(c)), 模 型 地 基 土 对 频 谱 特 性 不 同 的 近 远 场 地 震 动 的 PGA 放 大 效 应 存 在 明 显 差 异 ; 什 邡 波 作 用 时 模 型 地 基 的 地 震 动 放 大 效 应 明 显 较 小, 地 表 PGA 的 放 大 系 数 仅 为.578, 而 松 潘 波 和 Taft 波 作 用 时 地 表 PGA 放 大 系 数 分 别 为.85 和.98, 亦 即 频 谱 特 性 相 近 低 频 成 分 比 较 发 育 的 远 场 地 震 动 松 潘 波 中 地 震 动 Taft 波 作 用 时 模 型 地 基 的 地 震 动 放 大 效 应 相 近, 且 比 近 场 地 震 动 什 邡 波 作 用 时 模 型 地 基 的 地 震 动 放 大 效 应 更 为 显 著 这 也 说 明 : 输 入 地 震 动 的 强 度 越 大, 软 土 地 基 的 软 化 程 度 越 大, 地 基 土 的 滞 回 耗 能 也 越 大, 软 土 地 基 对 地 震 动 的 放 大 效 应 减 弱 ; 反 映 出 地 下 结 构 对 周 边 软 弱 地 基 地 震 反 应 的 影 响 与 输 入 地 震 动 的 频 谱 特 性 有 关 表 3 模 型 体 系 表 层 位 置 的 一 阶 自 振 频 率 和 阻 尼 比 Table 3 The first natural frequencies and damping ratios of model system surface 加 载 工 况 自 振 频 率 / Hz 阻 尼 比 第 1 次 白 噪 声 1.7 1.9 第 次 白 噪 声 1.18 3.5 第 3 次 白 噪 声 9. 5.7 第 次 白 噪 声 9.5. 次 观 测 面 主 观 测 面 次 观 测 面 1 W1 W18 A11 W W W13 W3 A1 W1 W7 A8 A W W5 W8 A13 W A1 A1 A A9 A5 A A7 85 J J1 A1 黏 土 A1-1 A W1 W1 W W17 A1-8 A1-3 A5 粉 质 W W1 黏 土 W9 A1- A A 1 W3 85 W7 8 8 15 1 5 1 1 35 35 35 W 1 W8 A13 A7 1 (a) 观 测 面 位 置 (b) 主 观 测 面 1 5 15 黏 土 7 5 粉 质 黏 土 1 W W5 85 1 W A8 8 8 A9 A1 8 1 5 15 黏 土 W18 粉 质 黏 土 5 8 A11 8 W13 5 A1 1 W1 (c) 次 观 测 面 1 (d) 次 观 测 面 图 模 型 地 基 土 中 主 次 观 测 面 的 传 感 器 布 置 Fig. Layout of sensors embedded in soil layers on the main and secondary observation planes 3 3 3 3 3 次 观 测 断 面 主 观 测 断 面 3 5 38 183 38 75 S1-1 S1-8 S1- S1-1 S1-1 S1- S1-3 S1-11 S1- S1-9 S1-13 S1-1 S1-1 S1-5 S1-15 - S1-17 S1-18 S1- S-1 S- S-3 S- S-5 S-7 S-8 1 85 S1- S1-7S1-19 S1-1 S- S-9 S-1 - (a) 应 变 观 测 面 位 置 (b) 主 观 测 面 (c) 次 观 测 面 1 图 5 地 铁 车 站 模 型 结 构 横 断 面 上 各 观 测 面 应 变 片 布 置 图 Fig.5 Layout of strain sensors in sections of subway station structure
第 期 陈 国 兴 等 : 软 土 场 地 地 岩 铁 车 站 土 结 构 地 力 震 反 应 学 特 性 振 动 台 模 型 试 验 1 335 年 横 梁 滑 轮 D1 D 钢 绞 线 D3 D 图 结 构 位 移 测 量 安 装 示 意 图 Fig. Installation diagram of structural displacement sensor 拉 线 式 位 移 计 ( 个 ) 图 8 给 出 了 模 型 地 基 地 震 动 PGA 空 间 分 布 图 可 以 看 出 : 模 型 地 基 主 观 测 面 地 表 测 点 A1 A 及 浅 层 土 测 点 A5 的 PGA 值 依 次 明 显 小 于 次 观 测 面 1 地 表 测 点 A9 及 次 观 测 面 浅 层 土 测 点 A11 的 PGA 值 对 于 深 层 模 型 地 基 土,PGA.1g 的 不 同 地 震 动 作 用 下, 主 次 观 测 面 相 同 深 度 各 测 点 的 PGA 值 基 本 相 近 ;PGA.5g 的 不 同 地 震 动 作 用 下 主 观 测 面 各 测 点 的 PGA 值 明 显 小 于 次 观 测 面 相 同 深 度 处 各 测 点 的 PGA 值 这 说 明 地 下 结 构 对 软 土 地 基 地 震 反 应 的 影 响 具 有 显 著 的 空 间 效 应 表 3 模 型 体 系 表 层 位 置 的 一 阶 自 振 频 率 和 阻 尼 比 Table 3 The first natural frequencies and damping ratios of model system surface 加 载 工 况 自 振 频 率 / Hz 阻 尼 比 第 1 次 白 噪 声 1.7 1.9 第 次 白 噪 声 1.18 3.5 第 3 次 白 噪 声 9. 5.7 第 次 白 噪 声 9.5. 3.3 地 基 土 加 速 度 频 谱 反 应 不 同 地 震 动 作 用 下, 模 型 地 基 加 速 度 傅 立 叶 谱 见 图 9 1 图 中 SP-1-A1 等 编 码 的 命 名 规 则 为 工 况 代 号 - 传 感 器 编 号, 例 如 SP-1-A1 代 表.1g 松 潘 地 震 动 下 A1 号 传 感 器 的 测 试 数 据, 其 他 类 同 由 图 可 知, 地 震 动 从 土 体 底 部 向 上 传 播 的 过 程 中, 随 着 输 入 地 震 动 峰 值 加 速 度 的 增 加, 相 同 土 层 深 度 / m..8 1. 1. 1.. A.3..9 1. 1.5 A7 加 速 度 放 大 系 数 A A5 地 震 动 输 入 SF-1 SP-1 TA-1 土 层 深 度 / m 加 速 度 放 大 系 数.5 1. 1.5. A.3..9 1. 1.5 A7 SF-1(.1g) SF-(.3g) SF-3(.5g) (a).1g 地 震 动 作 用 (b) 不 同 峰 值 加 速 度 的 什 邡 地 震 动 作 用 (c).5g 地 震 动 作 用 图 7 输 入 不 同 地 震 动 时 主 观 测 面 峰 值 加 速 度 放 大 系 数 随 模 型 土 深 度 的 变 化 Fig.7 Variations of peak acceleration amplification factors with model soil depth in the main observation section for different input motions A A5 地 震 动 输 入 土 层 深 度 / m..5 1. 1.5.. A.3..9 1. 1.5 A5 加 速 度 放 大 系 数 A A7 地 震 动 输 入 SF-3 SP-3 TA-3.111/.117/.117.118/.1/.13.89/.7/.8..3/.98/.5 A1 A A.87/.8/.88.3/.355/.3 A13.88/.8/.73.11/.33/.88 SF-1/SP-1/TA-1 SF-3/SP-3/TA-3 A5.1/.9/.97.3/.9/.3 A.9/.88/.9.35/.378/.8 A7.85/.77/.9.7/.9/.81 A9.13/.1/.15.33/.511/.53 SF-1/SP-1/TA-1 A8 A1 SF-3/SP-3/TA-3.88/.8/.89.99/.93/.98.35/./.3.393/./.9 A1./.55/.9.389/.387/.3 (a) 主 观 测 面 (b) 次 观 测 面 1 (c) 次 观 测 面 图 8 不 同 地 震 动 作 用 下 模 型 地 基 主 次 观 测 面 各 测 点 的 峰 值 加 速 度 ( 单 位 :g) Fig.8 PGA values of soil in main and secondary observation sections under different input motions(unit: g) A11.18/.175/.117.378/.9/.8 SF-1/SP-1/TA-1 SF-3/SP-3/TA-3
第 33 期 陈 国 兴 等 : 软 土 场 地 岩 地 铁 车 土 站 结 构 力 地 震 反 学 应 特 性 振 动 台 模 型 试 验 1335 年 测 点 位 置 处, 土 体 加 速 度 高 频 成 分 逐 渐 减 少, 这 是 由 于 土 体 在 地 震 动 作 用 中 不 断 软 化, 滤 波 效 应 更 加 显 著.1g 地 震 动 作 用 下, 输 入 什 邡 波 时, 模 型 地 基 不 同 深 度 测 点 A A 记 录 的 加 速 度 频 谱 特 性 自 下 而 上 呈 现 出 明 显 的 变 化, 低 频 成 分 逐 渐 增 大, 高 频 成 分 逐 渐 减 小 ; 与 输 入 什 邡 波 的 测 试 结 果 相 比, 输 入 松 潘 波 时 地 基 土 各 测 点 记 录 的 傅 氏 谱 频 谱 变 化 规 律 较 为 类 似, 但 地 基 土 地 震 动 的 频 率 范 围 较 窄, 放 大 效 应 更 为 显 著.1g 松 潘 地 震 动 作 用 下, 加 速 度 主 频 位 置 约 为. Hz, 而.1g 什 邡 地 震 动 作 用 下, 存 在.9~.5 Hz 的 集 中 频 带.5g 地 震 动 作 用 下, 这 种 现 象 则 未 发 生 不 同 地 震 动 作 用 下, 加 速 度 频 谱 均 在 Hz 位 置 出 现 了 集 中 与 放 大 现 象 这 是 由 于 强 震 作 用 下, 土 体 内 积 聚 孔 压 上 升, 土 体 刚 度 衰 减 现 象 显 著, 因 此, 土 体 内 加 速 度 频 谱 出 现 了 单 一 频 率 的 集 中 与 放 大 现 象 3. 地 下 车 站 结 构 的 峰 值 加 速 度 反 应 不 同 地 震 动 作 用 下 模 型 结 构 的 PGA 如 图 11 所 示 随 着 输 入 地 震 动 PGA 的 增 大, 模 型 结 构 底 层 的 PGA 显 著 增 大, 但 SF- 和 SF-3 工 况 下 模 型 结 构 顶 部 的 PGA 相 差 甚 微 ; 在 PGA.1g 的 不 同 地 震 波 作 用 下, 输 入 地 震 动 的 频 谱 特 性 对 模 型 结 构 的 PGA 反 应 影 响 很 小 ; 而 在 PGA.5g 的 不 同 地 震 波 作 用 下, 模 型 结 构 对 频 谱 特 性 不 同 的 近 远 场 地 震 动 反 应 存 在 明 显 差 异, 频 谱 特 性 相 近 低 频 成 分 比 较 发 育 的 远 场 松 潘 波 和 中 远 场 Taft 波 作 用 时 模 型 结 构 的 PGA 明 显 大 于 近 场 什 邡 波 作 用 时 模 型 结 构 的 PGA 值, 且 Taft 波 作 用 时 模 型 结 构 顶 部 的 PGA 最 大 3.5 模 型 地 基 孔 压 发 展 规 律 及 其 空 间 效 应 不 同 地 震 动 作 用 下 模 型 地 基 各 测 点 的 峰 值 孔 压 比 分 布 和 时 程 曲 线 分 别 如 图 1 13 所 示 由 于 粉 质 黏 土 的 渗 透 性 较 差, 地 基 土 的 孔 压 增 长 较 小, 除 SF-3 工 况 下 测 点 W3 外, 孔 压 比 均 小 于.5; 且 在 不 同 特 性 的 地 震 动 作 用 下 模 型 地 基 的 孔 压 比 发 展 过 程 存 在 较 大 的 差 异, 呈 现 出 不 同 程 度 的 波 动 效 应, 并 显 示 出 显 著 的 空 间 效 应 特 征 总 体 而 言, 模 型 地 基 的 孔 压 比, 近 场 什 邡 波 作 用 时 最 大 远 场 松 潘 波 作 用 时 次 之 中 远 场 Taft 波 作 用 时 最 小 ; 对 深 层 土, 主 观 测 面 测 点 W3 的 孔 压 比 大 于 次 观 测 面 测 点 W13 的 孔 压 比 ; 对 浅 层 土, 主 观 测 面 测 点 W 的 孔 压 比 小 于 次 观 测 面 1 测 点 W1 的 孔 压 比 ; 随 着 输 入 地 震 动 PGA 值 的 增 加, 地 基 土 的 孔 压 比 逐 渐 增 长, 但 孔 压 比 的 增 长 总 体 较 小, 这 是 由 于 粉 质 黏 土 的 渗 透 性 弱, 导 致 孔 隙 水 压 力 的 发 展 程 度 较 低 采 用 surfer 软 件 中 Kriging 网 格 化 方 法 对 主 观 测 面 孔 压 场 分 布 进 行 预 测 分 析, 结 果 如 图 1 所 示 由 图 可 知, 傅 立 叶 谱 / (1-3 m/s) 15 1 9 3 SP-1-A1 SP-1-A 傅 立 叶 谱 / (1-3 m/s) 1 1 8 SP-1-A SP-1-A 5 1 15 5 1 15 (a) 松 潘 波, 测 点 A1 A (b) 松 潘 波, 测 点 A A 傅 立 叶 谱 / (1-3 m/s) 1 1 8 5 1 15 (c) 什 邡 波, 测 点 A1 A SF-1-A1 SF-1-A (d) 什 邡 波, 测 点 A A 图 9 输 入 PGA=.1g 地 震 动 时 模 型 地 基 主 观 测 面 各 测 点 的 加 速 度 傅 里 叶 谱 Fig.9 Acceleration Fourier spectra in main observation section under.1g ground motion 傅 立 叶 谱 / (1-3 m/s) 1 1 1 8 5 1 15 SF-1-A SF-1-A
第 期 陈 国 兴 等 : 软 土 场 地 地 岩 铁 车 站 土 结 构 地 力 震 反 应 学 特 性 振 动 台 模 型 试 验 1 337 年 傅 立 叶 谱 / (1 - m/s) 7 5 3 1 SP-3-A1 SP-3-A 傅 立 叶 谱 / (1 - m/s) 7 5 3 1 SP-3-A SP-3-A 5 1 15 5 1 15 (a) 松 潘 波, 测 点 A1 A (b) 松 潘 波, 测 点 A A 傅 立 叶 谱 / (1 - m/s) 3 1 SF-3-A1 SF-3-A 傅 立 叶 谱 / (1 - m/s) 3 1 SF-3-A SF-3-A 5 1 15 5 1 15 (c) 什 邡 波, 测 点 A1 A (d) 什 邡 波, 测 点 A A 图 1 输 入 PGA=.5g 地 震 动 时 模 型 地 基 主 观 测 面 各 测 点 的 加 速 度 傅 里 叶 谱 Fig.1 Acceleration Fourier spectra in main observation section under.5g ground motion A1-1..5 A1-1..5 A1-1..5 A1-1 A1- ( ) A1-3 结 构 高 度 / m..3. A1- SF-1 SF- SF-3 结 构 高 度 / m..3. A1- SF-1 SP-1 TA-1 结 构 高 度 / m..3. A1- SF-3 SP-3 TA-3 A1-.1 A1-...1..3. 加 速 度 峰 值 / g.1 A1-...5.1.15. 加 速 度 峰 值 / g (a) 结 构 加 速 度 布 设 图 (b) 什 邡 地 震 动 (c).1g 不 同 地 震 动 (d).5g 不 同 地 震 动 图 11 不 同 地 震 动 作 用 下 地 铁 车 站 结 构 的 PGA 反 应 Fig. 11 PGA values of subway station structure under different input motions.1 A1-...3..5. 加 速 度 峰 值 / g SF-1/SF-/SF-3 SP-1/SP-3/TA-1/TA-3 W1 W.1/.35/.3.19/./.19/. W9.5/./.9 W.7/././.1.11/.35/.35.9/./.13/../.7/. W3 W7.8/.3/./.11/./.3.7/.7/./.8/.39/. W W8.1/.1/./.11.15/.31/..7/.7/./.7 SF-1/SF-/SF-3 SP-1/SP-3/TA-1/TA-3 W.13/.8/..17/./.8/.13.9/.3/.5.1/.5/.1/.5.9/./.38 W W5./.1/.1/ (a) 主 观 测 面 (b) 次 观 测 面 1 (c) 次 观 测 面 图 1 主 次 观 测 面 地 基 土 各 测 点 的 孔 压 比 Fig.1 Pore pressure ratios of soil in the main and secondary observation sections W18 SF-1/SF-/SF-3 SP-1/SP-3/TA-1/TA-3 W13 W1.11/.18/.38.1/.15/.38./.1/./.11.5/././.1
第 338 期 陈 国 兴 等 : 软 土 场 地 岩 地 铁 车 土 站 结 构 力 地 震 反 学 应 特 性 振 动 台 模 型 试 验 1337 年 孔 压 比.5. SF-3-W1.3. SF--W1.1 SF-1-W1. 5 1 15 5 3 (a) 测 点 W1 孔 压 比.7. SF-3-W3.5..3 SF--W3..1 SF-1-W3. 5 1 15 5 3 (b) 测 点 W3..5 孔 压 比 SF-3-W7.3. SF--W7.1 SF-1-W7. 5 1 15 5 3 孔 压 比. SF-3-W13.3. SF--W13.1 SF-1-W13. 5 1 15 5 3 (c) 测 点 W7 (d) 测 点 W13 图 13 什 邡 地 震 动 作 用 下 地 基 土 各 测 点 的 孔 压 时 程 曲 线 图 Fig.13 Time histories of excess pore pressure ratio of model soil under Shifang input motions 模 型 箱 高 度 / m 1.1 1..9.8.7..5..3..1.1.1.1.7.8.9 1. 1.1 1. 1.3 1. 1.5 模 型 箱 长 度 / m (a) SF-1 模 型 箱 高 度 / m 1.1 1..9.8.7..5..38.38.8.3..8.1.7.8.9 1. 1.1 1. 1.3 1. 1.5 (b) SF-3 模 型 箱 长 度 / m 模 型 箱 高 度 / m Fig.1 1.1 1..9.8.11.1.7...5..3.11.11..1.7.8.9 1. 1.1 1. 1.3 1. 1.5 模 型 箱 长 度 / m (c) SP-1..1.7.8.9 1. 1.1 1. 1.3 1. 1.5 (d) SP-3 图 1 主 观 测 面 地 基 土 各 测 点 的 孔 压 比 分 布 Distributions of excess pore pressure ratio of model soil under different input motions 模 型 箱 高 度 / m 1.1 1..9.8.7..5..3.9.3.9.39.3.3 模 型 箱 长 度 / m.9
第 期 陈 国 兴 等 : 软 土 场 地 岩 地 铁 车 土 站 结 构 力 地 震 反 学 应 特 性 振 动 台 模 型 试 验 1339 年.1g 地 震 动 作 用 下, 孔 压 场 分 布 均 匀, 结 构 周 边 孔 压 梯 度 差 较 小.5g 地 震 动 作 用 下, 孔 压 场 出 现 了 不 均 匀 分 布 的 现 象,.5g 松 潘 地 震 动 作 用 下, 结 构 底 部 与 结 构 侧 部 出 现 了 较 大 的 孔 压 梯 度 差, 相 对 应 结 构 的 上 浮 量 最 大 达 到 1.7 mm 3. 地 表 震 陷 特 征 分 析 不 同 的 地 震 动 作 用 下 模 型 地 基 的 地 表 震 陷 - 时 程 曲 线 及 地 表 震 陷 值 如 图 15 及 表 所 示 当 输 入.1g 地 震 动 时, 未 观 察 到 模 型 地 基 的 地 表 震 陷 现 象 ; 在 PGA.5g 的 地 震 动 作 用 下, 宏 观 上 可 以 观 察 到 模 型 地 基 发 生 了 较 明 显 的 地 表 震 陷 及 地 表 裂 缝 现 象 ( 试 验 后 地 表 宏 观 现 象 见 图 1), 远 场 地 震 动 松 潘 波 作 用 时 地 表 震 陷 值 最 大 中 远 场 地 震 动 Taft 波 作 用 时 次 之 近 场 地 震 动 什 邡 波 作 用 时 最 小 ; 且 在 模 型 地 基 的 震 陷 过 程 中, 发 生 了 模 型 结 构 的 上 浮 现 象, 使 模 型 结 构 上 方 地 基 土 的 地 表 震 陷 呈 现 出 先 快 速 下 沉 后 持 续 波 动 上 浮 的 特 征, 模 型 结 构 上 浮 的 最 大 值 达 1 mm; 模 型 结 构 侧 边 的 地 基 土 也 存 在 先 震 陷 后 隆 起 的 波 动 现 象 ; 从 而 使 模 型 结 构 上 方 和 侧 边 的 地 基 土 地 表 震 陷 程 度 差 别 不 大 3.7 地 下 车 站 结 构 侧 墙 位 移 反 应 不 同 的 地 震 动 作 用 时 模 型 结 构 侧 墙 各 测 点 的 水 平 向 位 移 反 应 时 程 曲 线 及 侧 向 位 移 峰 值 如 图 17 及 表 5 所 示 可 以 看 出, 框 架 式 地 下 车 站 结 构 整 体 刚 度 大 相 对 变 形 小 ; 地 震 波 的 频 谱 特 性 对 地 表 震 陷 / mm.5. -.5 -.1 -.15 -. SF-1-J1 SF-1-J 地 表 震 陷 / mm..1. -.1 -. -.3 SP-1-J1 SP-1-J -.5 -. -.3 8 1 (a).1g 什 邡 地 震 动 作 用 -.5 8 1 (b).1g 松 潘 地 震 动 作 用 3 地 表 震 陷 / mm 1-1 - SF-3-J1 SF-3-J 地 表 震 陷 / mm - - SP-3-J1 SP-3-J -3 - - 8 1 (c).5g 什 邡 地 震 动 作 用 -8 8 1 (d).5g 松 潘 地 震 动 作 用 Fig.15 图 15 模 型 地 基 土 地 表 震 陷 时 程 曲 线 Time histories of earthquake-induced ground surface settlements 表 不 同 地 震 动 作 用 下 地 表 震 陷 量 Table Earthquake-induced ground surface settlements under different ground motions 地 表 震 陷 量 / mm 结 构 上 浮 量 试 验 工 况 传 感 器 J1 传 感 器 J / mm SF-1 -.3 -.8.5 SF- -.5-1.1.7 SF-3. -3.15 5.17 SP-1 -.38 -.35 -.3 SP-3 5.7-7. 1.7 TA-1 -.8 -.3. TA-3.73-5. 9.79 方 向 约 定 + -
第 3 期 陈 国 兴 等 : 软 土 场 地 岩 地 铁 车 土 站 结 构 力 地 震 反 学 应 特 性 振 动 台 模 型 试 验 1339 年 地 表 开 裂 现 象 局 部 放 大 Fig.1 图 1 试 验 后 地 基 土 地 表 宏 观 现 象 Macroscopic phenomena of model soil surface after test 结 构 水 平 位 移 / mm 3 1 7. mm -1 - -3-8 1 (a) SF-3-D1 结 构 水 平 位 移 / mm 3 1.1 mm -1 - -3-8 1 (b) SF-3-D 结 构 水 平 位 移 / mm 1. mm - - - -8 8 1 15.9 mm - - - -8 8 1 (c) SP-3-D1 (d) SP-3-D 图 17.5g 地 震 动 作 用 下 侧 墙 水 平 向 位 移 反 应 时 程 曲 线 Fig.17 Time histories of horizontal displacements on sidewall of subway station structure under.5g ground motion 结 构 水 平 位 移 / mm 表 5 模 型 结 构 侧 向 位 移 峰 值 ( 单 位 :mm) Table 5 Peak lateral displacements on sidewall of model structure(unit: mm) 试 验 工 况 侧 向 位 移 峰 值 / mm D1 D D3 D SF-1.1.5.3.91 SF- 15.11 15. 15.3 15.9 SF-3 8.1 8.5 8.81 9. SP-1 1.83 13.1 13. 1.75 SP-3 8.. 5.5 9.97 TA-1 5.7. 7.7.7 TA-3.87.5.11.7 注 :D1~D 为 拉 线 式 位 移 计 编 号 模 型 结 构 侧 墙 的 变 形 模 式 和 大 小 存 在 显 著 的 影 响 ; 远 场 松 潘 波 作 用 引 起 的 侧 墙 水 平 向 位 移 反 应 要 比 近 场 什 邡 波 作 用 引 起 的 侧 墙 水 平 向 位 移 反 应 大 1 倍 以 上 ; 输 入 地 震 动 的 PGA.5g 时, 中 远 场 Taft 波 作 用 引 起 的 侧 墙 水 平 向 位 移 反 应 要 比 近 场 什 邡 波 作 用 引 起 的 侧 墙 水 平 向 位 移 反 应 大 5%, 且 Taft 波 作 用 时 侧 墙 发 生 了 5~5 mm 的 不 可 恢 复 的 单 向 变 形 ; 输 入 地 震 动 的 PGA.1g 时, 近 场 什 邡 波 和 中 远 场 Taft 波 作 用 引 起 的 侧 墙 水 平 向 位 移 反 应 的 大 小, 相 差 也 很 小 3.8 地 下 车 站 结 构 峰 值 应 变 及 其 空 间 效 应 图 18 比 较 了 不 同 工 况 下 模 型 结 构 主 次 观 测 面 各 测 点 的 峰 值 应 变 中 柱 左 右 侧 面 的 峰 值 应 变 大 小 呈 现 出 不 对 称 现 象, 侧 墙 楼 板 柱 的 峰 值 应 变 反 应 大 小 呈 现 出 显 著 的 空 间 效 应, 这 很 可 能 是 由 于
第 期 陈 国 兴 等 : 软 土 场 地 岩 地 铁 车 土 站 结 构 力 地 震 反 学 应 特 性 振 动 台 模 型 试 验 131 年 地 基 土 的 不 均 匀 沉 降 引 起 了 模 型 地 下 结 构 的 倾 斜 与 扭 转 ; 主 观 测 面 顶 层 中 柱 底 端 左 侧 面 中 层 中 柱 顶 端 右 侧 面 底 层 中 柱 顶 端 左 / 右 侧 面 的 峰 值 应 变 明 显 大 于 较 其 他 部 位 的 峰 值 应 变, 次 观 测 面 顶 层 中 层 中 柱 的 峰 值 应 变 明 显 小 于 底 层 中 柱 尤 其 是 柱 低 端 的 峰 值 应 变 ; 顶 层 侧 墙 的 峰 值 应 变 明 显 大 于 底 层 侧 墙 的 峰 值 应 变 ; 靠 近 侧 墙 处 中 间 层 顶 板 的 峰 值 应 变 明 显 大 于 顶 层 顶 板 的 峰 值 应 变 总 体 而 言, 中 柱 的 峰 值 应 变 大 于 楼 板 和 侧 墙 的 峰 值 应 变, 侧 墙 的 峰 值 应 变 大 于 楼 板 的 峰 值 应 变 ; 输 入 地 震 动 强 度 增 大, 模 型 地 下 车 站 结 构 的 峰 值 应 变 增 大, 输 入 地 震 动 的 频 谱 特 性 和 持 续 时 间 对 模 型 地 下 车 站 结 构 的 峰 值 应 变 有 影 响, 但 对 不 同 部 位 的 影 响 并 不 一 致, 且 规 律 不 明 显 3.9.9 1. 1.8 1. 9.7. 1.93 1.58 8.78 9.9.77.8 Min 9.51 5.58 Min 3.7 3.8 18.57 15.7 1.89 37. 11.57.3 1.33 1.79 3.9.1 3.99 8.1 5.85 7..3 1.89 11.51 11.3 1.5 5.8 3.51 1.3 17.7 11.1 Max 8. 35.39.9.33 33. 1. 1.19 Max.7 (a) SF- (b) SF-3 Min.57 18.35.5 1.39 8.51 18. 19.9 3.1 1.71 1. 37.87 7.5 3.8 8.7.73 1. 3.9 15..3 1.3 7.1 1.99 17.1 Max.15 Min 3.58 1. 15.9 8..59 1.93 8. 15. 9.59 13.5 3.5.17 11.1 8. 33.3 Max 5.9 1.19 1.7 5. 18.38.93 3.91 1.8 19.83 (c) SP-3 (d) TA-3 图 18 不 同 地 震 动 作 用 下 地 铁 车 站 结 构 的 峰 值 拉 应 变 分 布 ( 单 位 :1 - ) Fig.18 Distributions of tensile strains of subway station structure under different ground motions (unit: 1 - ) 结 论 (1) 地 震 波 在 模 型 地 基 中 传 播 时 其 频 谱 特 性 发 生 明 显 的 变 化, 呈 现 出 自 下 而 上 低 频 增 大 高 频 减 小 的 现 象 ; 在 强 地 震 动 作 用 下 软 土 地 基 的 基 频 显 著 降 低 高 频 滤 波 显 著, 软 土 地 基 的 地 震 动 频 谱 特 性 呈 现 出 明 显 的 低 频 聚 集 ( 放 大 ) 效 应 () 由 于 粉 质 黏 土 的 渗 透 性 差, 孔 压 增 长 较 小, 在 一 定 时 间 内 孔 压 不 能 及 时 消 散 ; 且 在 不 同 PGA 的 地 震 动 作 用 下, 体 现 出 不 同 的 孔 压 发 展 规 律 (3) 在 软 土 场 地 条 件 下, 频 谱 特 性 不 同 的 近 远 场 地 震 动 作 用 下 模 型 地 下 结 构 的 峰 值 加 速 度 存 在 明 显 差 异, 框 架 式 模 型 地 下 结 构 相 对 变 形 小 未 出 现 明 显 上 浮 现 象, 地 震 动 频 谱 特 性 对 其 侧 墙 的 变 形 模 式 和 大 小 存 在 显 著 的 影 响 () 模 型 地 下 结 构 顶 层 中 柱 底 端 和 底 层 中 柱 顶 底 端 为 地 震 损 伤 最 严 重 的 部 位 ; 模 型 结 构 整 体 损 伤 情 况 较 轻 处 于 非 破 坏 状 态 参 考 文 献 [1] NEGRO P, PAOLUCCI R, PEDRETTI S, et al. Large scale soil-structure interaction experiments on sand under cyclic loading[c]//proceedings of the 1th World Conference on Earthquake Engineering. Auckland, New Zealand: New Zealand Society for Earthquake Engineering, : 1-8. [] IWATATE T, KOBAYASHI Y, KUSU H, et al. Investigation and shaking table tests of subway structures of the Hyogoken-Nanbu earthquake[c]//proceedings of the 1th World Conference on Earthquake Engineering. Auckland, New Zealand: New Zealand Society for Earthquake Engineering, 3: 13-151. [3] TAMARI Y, TOWHATA I. Seismic soil-structure interaction of cross sections of flexible underground structures subjected to soil liquefaction[j]. Soils and Foundations, 3, 3(): 9-87.
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