地鐵引起建筑物振動(dòng)評(píng)價(jià)研究

1、地鐵引起建筑物振動(dòng)評(píng)價(jià)研究        摘要因?yàn)椴荒苤苯恿繙y(cè)地鐵環(huán)境中擬建建筑物的振動(dòng),介紹基于理論分析對(duì)地鐵運(yùn)行引起建筑物振動(dòng)的評(píng)價(jià)方法。由于地鐵隧道底面振動(dòng)記錄資料缺乏,量測(cè)困難;列車-軌道-地基系統(tǒng)的模擬不盡完善。針對(duì)上海地鐵隧道正上方某擬建建筑物的振動(dòng)問(wèn)題,建立上部結(jié)構(gòu)的剛性地基有限元模型,輸入場(chǎng)地實(shí)測(cè)地面振動(dòng)加速度激勵(lì),計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)在時(shí)域內(nèi)的響應(yīng)。利用傅里葉變換,對(duì)結(jié)構(gòu)時(shí)域內(nèi)的響應(yīng)進(jìn)行頻域分析,根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地鐵引起建筑物的振動(dòng)做出評(píng)價(jià),從而為地鐵環(huán)境中建筑物防振設(shè)計(jì)提供依據(jù)。關(guān)鍵詞:地鐵運(yùn)行引起的振動(dòng)

2、,頻域分析,振動(dòng)加速度級(jí),振動(dòng)評(píng)價(jià) 近年來(lái),隨著的快速,城市規(guī)模不斷擴(kuò)大,人們對(duì)生活質(zhì)量的要求日益提高。作為緩解大城市壓力重要手段之一的地鐵,距建筑物越來(lái)越近,有的就在建筑物正下方運(yùn)行。地鐵運(yùn)行引起的振動(dòng)雖不致造成建筑物結(jié)構(gòu)破壞,但可能造成裝飾物開裂脫落;較大振動(dòng)會(huì)影響人的生理及生活1;另外,勢(shì)必影響精密儀器等對(duì)振動(dòng)敏感設(shè)備的正常運(yùn)行2。因此地鐵振動(dòng)對(duì)建筑物的影響引起人們?cè)絹?lái)越廣泛的關(guān)注,也引起各國(guó)研究人員的高度重視3,4。      2005年,中華人民共和國(guó)建設(shè)部制定并發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)住宅建筑室內(nèi)振動(dòng)限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱標(biāo)

3、準(zhǔn))5。對(duì)于已建住宅建筑,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料,利用標(biāo)準(zhǔn)可方便地對(duì)建筑室內(nèi)振動(dòng)情況做出評(píng)價(jià)。而對(duì)于擬建建筑,無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)。作者針對(duì)一擬建房屋,提出振動(dòng)計(jì)算分析和評(píng)價(jià)方法。該方法主要基于理論計(jì)算分析,因而也可對(duì)房屋振動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè),為結(jié)構(gòu)防、隔振設(shè)計(jì)等提供理論依據(jù)。1 計(jì)算分析模型和輸入激勵(lì)以一幢位于上海市一地鐵線正上方的建筑物為研究對(duì)象,該建筑物建筑面積為3670m2;7層框架結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。1·1 計(jì)算分析模型      建立包括隧道、地基土和上部結(jié)構(gòu)等的整體模型來(lái)計(jì)算分析地鐵運(yùn)行環(huán)境中建筑物的振動(dòng),似乎符合工程實(shí)際。

4、但由于地鐵運(yùn)行引起軌道地基振動(dòng)的資料較少,量測(cè)也不方便;目前已有的列車-軌道系統(tǒng)的動(dòng)力分析模型也不盡合理;土-結(jié)構(gòu)相互作用分析中存在許多不確定性6,土的復(fù)雜特性和計(jì)算范圍等的限制,計(jì)算分析時(shí)較難真實(shí)模擬地基土。目前,在計(jì)算分析地鐵引起振動(dòng)時(shí),很少建立整體分析模型7,8。作者建立上部結(jié)構(gòu)的剛性地基模型,利用現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)的地面振動(dòng)加速度作為輸入激勵(lì),計(jì)算分析結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)。取所述工程中與地鐵行駛方向垂直軸線上的一榀典型框架,建立二維剛性地基模型,見(jiàn)圖1。1·2 輸入激勵(lì)作者會(huì)同有關(guān)人員量測(cè)了工程所在地地鐵隧道正上方地面振動(dòng)加速度時(shí)程。獲得A測(cè)點(diǎn)的兩組記錄(記為A1、A2)和B測(cè)點(diǎn)的一組記錄(記

5、為B),其中每組記錄包括x(垂直隧道軸線的水平方向)、y(豎向)和z(順?biāo)淼垒S線的水平方向)三個(gè)方向的時(shí)程。本研究按二維問(wèn)題計(jì)算分析,因此選取x和y方向的振動(dòng)記錄作為結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析的輸入加速度時(shí)程,分別記為A1x(t)、A1y(t)、A2x(t)A2y(t)、Bx(t)和By(t),其中A1x(t)、A1y(t)的時(shí)程曲線和傅里葉幅值譜如圖2圖5,因篇幅有限,數(shù)據(jù)和其他圖形未列出。按不同地面振動(dòng)加速度輸入方式分6種工況分別計(jì)算分析地鐵振動(dòng)引起所述工程的動(dòng)力反應(yīng),6種計(jì)算工況如表1所示,表中“+”號(hào)表示同時(shí)輸入x、y兩個(gè)方向的地面振動(dòng)加速度。 1    &#

6、160;    2 垂向振動(dòng)加速度級(jí)標(biāo)準(zhǔn)給出的垂向振動(dòng)加速度級(jí)公式5為 La=20lga/a0       (3)      式中La為垂向振動(dòng)加速度級(jí),單位為分貝(dB);a0為基準(zhǔn)加速度值,a0=10-6m/s2;a為振動(dòng)加速度有效值,單位為m/s2。      為了求出垂向振動(dòng)加速度級(jí)并能夠和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1/3倍頻程各頻段對(duì)應(yīng)的垂向振動(dòng)加速度級(jí)限值比較,將第1部分模型和激勵(lì)算得的結(jié)構(gòu)在時(shí)域內(nèi)的

7、垂向振動(dòng)加速度響應(yīng)進(jìn)行頻譜分析,      式中Ck表示復(fù)傅里葉系數(shù);      xm表示按第1部分模型和激勵(lì)計(jì)算獲得的結(jié)構(gòu)垂向振動(dòng)加速度時(shí)程響應(yīng);N表示xm的總個(gè)數(shù)。對(duì)第n個(gè)1/3倍頻程頻段內(nèi)的復(fù)傅里葉系數(shù)Cn(j)進(jìn)行離散Fourier逆變換,得到對(duì)應(yīng)于第n個(gè)1/3倍頻程頻段內(nèi)的加速度時(shí)程xn(k),3 計(jì)算結(jié)果及分析3·1 房屋自振特性利用有限元方法計(jì)算分析所述平面框架的自振特性,表2列出前20階自振頻率,表中x表示沿框架平面的水平方向,y表示豎直方向。數(shù)據(jù)表明,結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)頻

8、率非常密集,第20階頻率為19.45Hz,第40階自振頻率也只有22.65Hz(因篇幅有限,高階的自振頻率表2中未列出)。另一方面,地鐵引起地面振動(dòng)的頻率多在35Hz以上,可見(jiàn)房屋自振頻率要遠(yuǎn)低于地鐵振動(dòng)激振頻率。3·2 地鐵振動(dòng)引起建筑物振動(dòng)特點(diǎn)1)加速度響應(yīng)      圖6和圖7分別給出工況A,即僅有豎向激勵(lì)和工況B,即水平、豎向激勵(lì)同時(shí)作用時(shí),最右邊跨跨中節(jié)點(diǎn)的水平和豎向峰值加速度響應(yīng)沿樓層變化曲線。從圖中可以看出,豎向振動(dòng)引起結(jié)構(gòu)水平向振動(dòng)很小(最大僅為0.16gal),反之亦然,說(shuō)明地鐵引起房屋的振動(dòng)以豎向振動(dòng)為主;振動(dòng)加速

9、度響應(yīng)沿房屋高度呈衰減趨勢(shì),但不明顯。      2)垂向振動(dòng)加速度級(jí)      圖8繪出工況A情況下激勵(lì)加速度級(jí)曲線、樓層最大振動(dòng)響應(yīng)加速度級(jí)曲線和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定垂向振動(dòng)加速度級(jí)限值曲線。其中,考慮到所述工程的特殊要求,振動(dòng)加速度級(jí)限值取標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小限值。因篇幅有限,其他數(shù)據(jù)和曲線圖未給出。      由圖8可以看出,在1Hz40Hz的頻率范圍,垂向振動(dòng)加速度級(jí)均低于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值;40Hz80Hz的高頻范圍,若干節(jié)點(diǎn)垂向振動(dòng)加速度級(jí)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值,其中

10、,1/3倍頻程中心頻率為63Hz時(shí),第一層最右列梁柱交節(jié)點(diǎn)最大振動(dòng)加速度級(jí)為89.85dB,超出標(biāo)準(zhǔn)4.75dB。說(shuō)明地鐵振動(dòng)以高頻振動(dòng)為主。在20Hz63Hz的頻率范圍,垂向振動(dòng)加速度級(jí)按樓層自下而上呈衰減趨勢(shì),說(shuō)明在20Hz63Hz頻段內(nèi),結(jié)構(gòu)的阻尼對(duì)振動(dòng)的影響較大,吸收了部分振動(dòng)能量;在1/3倍頻程中心頻率為80Hz時(shí),結(jié)構(gòu)垂向響應(yīng)振動(dòng)加速度級(jí)比激勵(lì)的振級(jí)大,說(shuō)明阻尼對(duì)高頻振動(dòng)影響減小,且起不利作用。圖8中,激勵(lì)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)加速度級(jí)曲線形狀一致,且相差不多,表明結(jié)構(gòu)振動(dòng)主要為激勵(lì)振動(dòng)的直接傳播,彈性振動(dòng)響應(yīng)較小。      圖9繪出了工況A

11、情況下,1/3倍頻程中心頻率為40Hz時(shí),垂向振動(dòng)加速度級(jí)沿樓層衰減曲線。圖9表明房屋的振動(dòng)響應(yīng)沿高度呈衰減趨勢(shì),其中4層以下衰減稍快,4層以上衰減不明顯。      總之,地鐵及房屋振動(dòng)響應(yīng)主要為高頻振動(dòng),且結(jié)構(gòu)彈性振動(dòng)響應(yīng)較小。因此,要減小地鐵振動(dòng)的影響,主要以高頻防御為主,即減小振源的高頻振動(dòng)。4 結(jié)論1)本文利用較易量測(cè)的地鐵引起地面振動(dòng)加速度時(shí)程作為結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的輸入激勵(lì),應(yīng)用有限元方法計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng),避開利用“軌道路基地基土”等模型計(jì)算時(shí)由模型本身帶來(lái)的誤差問(wèn)題。      2)本

12、文計(jì)算表明,地鐵及房屋振動(dòng)主要為高頻振動(dòng)。本文分析的建筑位于地鐵隧道正上方,受地鐵振動(dòng)影響較大,在40Hz以上頻率范圍,最大響應(yīng)已超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。      3)地鐵引起房屋振動(dòng)主要為激勵(lì)振動(dòng)的直接傳播,彈性振動(dòng)響應(yīng)較小。房屋在較高頻段的振動(dòng)響應(yīng)沿樓層由低向高呈衰減趨勢(shì)。 1范蓉平,孟光,孫旭等.基于心理聲學(xué)響度分析的高速列車車內(nèi)噪聲評(píng)價(jià)J.振動(dòng)與沖擊,2005,24(5):4652.2HungHsiao-Hu,iYangYeong-Bin.AReviewofResearchesonGround-BorneVibrationswithEmphasisonThoseInducedbyTrainsJ.ProceedingoftheNationalScienceCounci,lROC(A).2001,25(1):116.3BalendraT,ChuaH,LoKW,eta.lSteady-StateVibrationofSubway-Soil