地鐵列車振動對鄰近建筑物的影響

1、1999年10月北方交通大學學報Oct.1999地鐵列車振動對鄰近建筑物的影響王逢朝夏禾張鴻儒(北方交通大學土木建筑工程學院,北京100044)摘要采用車輛結構土層建筑物的二維共同作用模型分析了地鐵列車振動在地面的傳播特性,并計算了地面上不同位置、不同層數(shù)的建筑物的振動響應及隧道深度不同時地鐵列車振動對鄰近建筑物的影響.關鍵詞地鐵列車振動建筑物分類號U112ayTrainsonSurroundingBuildingsWangFengchaoXiaHeZhangHongru(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,NorthernJiaotongUniv

2、ersity,Beijing100044)AbstractByusing2-Ddynamicmodelanalysisoftrain2foundation2soil2structures,thepropagationlawsofvibrationinsoilandtheireffectsonsurroundingbuildingsofdif2ferentheightsatdifferentsitesarestudiedasundertheactionoftrainsintunnelsunder2groundatdifferentdepth.Keywordssubwaytrainvibratio

3、nbuilding隨著城市人口的增多,交通問題日益突出,地下鐵道以其運量大、速度快、安全可靠、運行準時等特點,成為解決城市交通的重要手段,另一方面,地鐵運行時產生的振動也是世界各國普遍存在的問題1近年來,已有一些單位開始研究振動污染規(guī)律、振動產生原因、傳播路徑與控制方法,并得出了一些有益的結論131本文主要分析計算地鐵列車對地面建筑物的振動影響,為進一步研究振動環(huán)境控制問題和城市規(guī)劃設計提供參考.1計算模型1.1基本理論計算中采用二維平面有限元網絡模型,考慮到雙洞隧道的對稱性,取一半處理,其有限元網絡如圖1所示1為使因虛擬邊界產生反射波的影響減至最小,研究的地基范圍寬度取為距中心線L=480m

4、處、深度取至基巖H=60m,d為建筑物中線距線路中線的距離,h為隧道底部距地面的深度即隧道埋深.地基模擬為平面應變四邊形單元,基底為固定約束,側邊界為本文收到日期1998204215王逢朝男1963年生福建三明大學講師199818199913北方交通大學訪問學者北方交通大學學報第23卷彈性約束,彈簧剛度為100kN/m,計算中假定材料始終保持彈性狀態(tài).土層參數(shù)及隧道結構尺寸根據(jù)北京市的地質結構情況由參考文獻4確定,見表1,取單位寬度計算,其瑞雷阻尼系數(shù)取=0104,=0101.計算中建筑物取六層平面框架,梁、板、柱均模擬為梁桿單元,柱距為6.3m、2.4m、6.3m,層高為3.6m,其余材料參

5、數(shù)見表1.梁的寬和高分別為20cm×60cm,柱的寬和高分別為50cm×50cm.表1土層和建筑物構件參數(shù)分類人工填土礫基礎,模筑鋼筋混凝土梁,柱厚度/m2632-彈模/kPa1.3×10556.0×105泊松比0.0.27密度/kNm-317.018.820.821.825.025.02.55×1070.202.95×1070.18圖1二維有限元計算模型圖2是利用列車軌道系統(tǒng)動力分析模型在計算機上進行模擬分析.得到的作用于道床底部的列車荷載激勵力曲線及其功率譜,它作為動力荷載作用在隧道底部上.可以看出,列車動荷載主要是由移動列車在軌

6、道上的重力加載后形成,對一般的城市地鐵,車速低于100km/h時,其主要頻率在10Hz以下.v=70km/h(a)荷載曲線(b)功率譜曲線圖2列車荷載曲線及功率譜1.2計算方法采用SuperSAP有限元分析程序中的直接積分法計算,為了保證計算精度,當列車速度為70km/h時,計算步長取t=0.02s,共計算330步.由于SuperSAP程序只能給出系統(tǒng)各節(jié)點的位移時間歷程曲線,因此尚需進行微分處理,這里采用文獻5的數(shù)值微分方法計算,已知位移時間序列為S(n),時間間隔為t,按數(shù)值微分方法即可求出速度、加速度序列分別為v(n)、a(n),并畫出速度和加速度時間歷程曲線.第4期王逢朝等:地鐵列車振

7、動對鄰近建筑物的影響1.3計算結果圖3是隧道深度(軌面至地面距離)為11.8m時地面位移、加速度最大值的變化曲線1從圖3中可看出,地鐵運行所引起的地面振動在離隧道中心60m以前以豎向為主,60m以后兩者較為接近,其中水平振動在隧道中心最小,在離中心20m處振動幅度最大,其后逐漸衰減,在40、100m處有所反彈,豎向振動在隧道中心最大,在60m之前衰減很快,在60m處也出現(xiàn)反彈,但幅值較小,其后衰減較慢1但總趨勢是隨距離的增加而逐漸衰減,位移、速度、加速度傳播的最大值在地面處的分布形式基本相同.(a)位移變化圖(b)加速度變化圖圖3地面位移、加速度變化圖圖4為建筑物位于隧道正上方、離隧道中心20

8、、60、90、120、200、300m等不同位置時各層最大加速度變化曲線1從圖4中可看出,建筑物的振動隨高度增加幅度增大,在離中心線約20m處幅度最大,在60m以內衰減較快,各層基本相同,在60m以后振動幅度均很小.圖5為位于離中心線60m處建筑物層數(shù)圖4建筑物各層加速度變化圖不同時最大加速度變化曲線1從圖5中可看出,對于不同層數(shù)的建筑,其底層的水平振動幅度基本接近于自由地面的振動水平,上面各層(a)水平加速圖(b)暨向加速圖圖5層數(shù)不同時加速度變化圖北方交通大學學報第23卷隨層數(shù)增多其振動幅度逐漸增大,同一層數(shù)的水平振幅低層的要比高層的大,高層建筑層與層間的水平振動幅度變化要比低層的小,且高

9、層建筑的水平振動幅度在24層時出現(xiàn)略為減小的現(xiàn)象,豎向振動較為接近,但仍以高層建筑的為小.為考察隧道深度變化對建筑物的影響,分別計算了隧道深度為7.8、11.8、15.8、19.8、2318m5種情況下座落于離中心線60m處建筑物各層的振動情況,其結果如表2所示1從表2中可看出,無論是建筑物的水平振動幅度還是豎向振動幅度均隨隧道深度增大而逐漸減小,同時隧道深度對建筑物水平振動的影響要比豎向振動的大.表2建筑物各層加速度隧道深度/m層數(shù)水平一層二層三層六層52.060.357.811.815.819.823.8mms-2豎向103.5104.858106.8水平42.353.33200.0237

10、.5豎向100.3303103.0103.0水平33.850180.0210.038397.397.397.80085.5122.5157.5180.0豎向87.889.089.890.090.333.40.573.5103.8129.8150.0豎向079.079.579.880.080.32結論(1)地鐵運行所引起的地面豎向振動在隧道中心最大,其后隨距離的增加而逐漸衰減,在約60m處均有所反彈,但幅值較小.(2)地鐵運行所引起的振動對建筑物的影響與自由地面的趨勢基本相同,也是隨著距離的增大而減小1建筑物的層數(shù)不同,其振動響應也不相同,低層建筑影響大,高層建筑影響小.(3)隧道深度不同對建筑物的振動影響也不相同,深度越淺,建筑物振動越大,深度越深,建筑物振動越小.參考文獻1XiaHe.StudyofVibrationEffectsofUndergroundTrainsUponSurroundingEnvionments.AdvancesinStructuralEngineer2ing.Beijing:ChinaRailwayPublicshingHouse,199511161222張彌,夏禾.輕軌列車和高架橋梁系統(tǒng)的動力響應分析.北方交通大學