城市軌道交通系統(tǒng)對(duì)鄰近建筑物的振動(dòng)分析

1、城市軌道交通系統(tǒng)對(duì)鄰近建筑物的振動(dòng)分析摘要:隨著地鐵、輕軌等軌道交通工程的大量興建,研究分析城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)周圍建筑物的振動(dòng)影響,對(duì)于城市軌道交通系統(tǒng)的規(guī)劃、建立及環(huán)境保護(hù)、社會(huì)可持續(xù)開展均具有重要意義,文中結(jié)合廣東省的實(shí)際情況,通過有限元法對(duì)某鄰近地鐵隧道的建筑物進(jìn)展了振動(dòng)分析,并討論了其振動(dòng)特性。關(guān)鍵詞:城市軌道交通系統(tǒng);建筑物;振動(dòng)1前言隨著城市公共交通的開展,地鐵、輕軌等城市軌道交通系統(tǒng)以其高效、快捷、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),成為緩解城市交通和減少污染的有效手段,在現(xiàn)代城市的立體交通體系中發(fā)揮著重要的作用。我國擁有和正在建立城市軌道交通系統(tǒng)的城市也越來越多,作為國內(nèi)第4個(gè)地鐵投入運(yùn)營的城市,

2、廣州將來的城市軌道交通架構(gòu)將由十幾條地鐵及輕軌線組成,深圳地鐵也已建成投入運(yùn)營,廣州佛山、廣州珠海軌道交通系統(tǒng)近期亦即將開工建立;珠江三角洲作為中國最重要的城市群之一,其軌道交通的規(guī)模在國內(nèi)首屈一指,城市軌道交通系統(tǒng)將在廣東省的經(jīng)濟(jì)生活中起到越來越重要的作用。但城市軌道交通系統(tǒng)在給人們工作和生活帶來高速、便捷的同時(shí),其對(duì)周圍建筑物的影響也逐步引起人們的關(guān)注。2振動(dòng)的影響軌道交通系統(tǒng)的車廂挪動(dòng)將使車輪與軌道產(chǎn)生振動(dòng),這些振動(dòng)經(jīng)過隧道構(gòu)造傳遞到周圍土層中并向四周傳播,將引起鄰近建筑物的振動(dòng)。由于城市建筑日益密集,城市軌道交通系統(tǒng)在穿越更多建筑群的同時(shí),其交通密度也不斷增大,另一方面隨著整個(gè)社會(huì)環(huán)境

3、保護(hù)意識(shí)的進(jìn)步,國際上已把振動(dòng)列為七大環(huán)境公害之一,軌道交通對(duì)周圍建筑物的振動(dòng)影響正在引起廣泛的關(guān)注。根據(jù)實(shí)測,地鐵列車通過時(shí)引起地面建筑物振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間約為10s;在一條線路上,頂峰時(shí)兩個(gè)方向每小時(shí)內(nèi)可通過數(shù)十對(duì)列車,振動(dòng)作用的持續(xù)時(shí)間可到達(dá)總工作時(shí)間的15%20%1。廣州地鐵一號(hào)線上的一幢9層框架房屋,實(shí)測數(shù)據(jù)說明室內(nèi)的z振級(jí)為(79.285.2)db,超出了gb10070-88?城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)?規(guī)定的城市“混合區(qū),即一般商業(yè)與居民混合區(qū)晝間z振級(jí)標(biāo)準(zhǔn)75db、夜間72db的要求23。由于城市軌道交通系統(tǒng)投資宏大,一旦建成那么很難改線和遷移,而建筑物正常情況下也具有較長的使用年限,軌

4、道交通的振動(dòng)污染一旦形成將長期存在。目前廣東省正大力開展城市軌道交通系統(tǒng),對(duì)環(huán)境質(zhì)量的要求也愈來愈高,因此開展城市軌道交通對(duì)周圍建筑物振動(dòng)影響的研究,不僅具有重大的社會(huì)意義,還可以對(duì)軌道交通的規(guī)劃、設(shè)計(jì)提供較為詳細(xì)、可靠的根據(jù),減少將來為降低這種振動(dòng)污染所需的宏大經(jīng)濟(jì)投入。3振動(dòng)的特點(diǎn)近年來,英國、日本、德國等國家已廣泛開展了對(duì)軌道車輛振動(dòng)的傳播、衰減特性的研究,并提出了一些減少振害的措施。英國鐵路管理局等部門對(duì)行車速度、激振頻率和軌道參數(shù)的相關(guān)關(guān)系及共振現(xiàn)象進(jìn)展了試驗(yàn)研究;日本的研究人員就軌道車輛引起的構(gòu)造振動(dòng)發(fā)活力理、振動(dòng)波在地下和地面的傳播規(guī)律及其對(duì)周圍居民的影響進(jìn)展了研究;德國的研究人

5、員提出了一種基于脈沖鼓勵(lì)和測試分析的診斷測試方法,以預(yù)測市區(qū)軌道線附近建筑物地面振動(dòng)程度。上述研究主要集中在進(jìn)展相應(yīng)的測試并分析研究振動(dòng)波傳播的規(guī)律,側(cè)重于采取改善道床構(gòu)造、車輛構(gòu)造以及設(shè)置隔振設(shè)施等措施減少振動(dòng)。在國內(nèi),由于近年來城市軌道交通系統(tǒng)的迅速開展以及全社會(huì)環(huán)保意識(shí)的進(jìn)步,一些研究機(jī)構(gòu)也開展了對(duì)地鐵區(qū)間隧道及附近地面的振動(dòng)測試分析工作,在地表振動(dòng)波的衰減規(guī)律等方面獲得了一定成果4。但主要側(cè)重于地鐵隧道構(gòu)造振動(dòng)及振動(dòng)傳播方面的研究,未直接以對(duì)建筑物的振動(dòng)影響作為研究對(duì)象,并將其與城市軌道交通系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)以及振動(dòng)傳播的特性進(jìn)展綜合分析。由于目前缺少專門的評(píng)估振動(dòng)對(duì)建筑物影響的標(biāo)準(zhǔn),因此

6、僅能根據(jù)已有的少量測試數(shù)據(jù)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)較粗略地分析建筑物所受的影響,而且建筑物的振動(dòng)與其基儲(chǔ)構(gòu)造形式、自重等多方面因素有關(guān),顯得較為復(fù)雜。同時(shí),軌道車輛振動(dòng)的傳播較為復(fù)雜,與土層介質(zhì)有著親密關(guān)系,振動(dòng)波的傳播特性在不同地質(zhì)條件的地區(qū)不盡一樣。由于地基土的區(qū)域特殊性,在其他地區(qū)測試、分析的結(jié)果并不一定符合廣東省的實(shí)際情況,特別是該地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,具有很強(qiáng)的多樣性,因此,可結(jié)合廣東省的土質(zhì)特點(diǎn),對(duì)已建成使用的地鐵隧道構(gòu)造及周圍建筑物進(jìn)展現(xiàn)場測試,結(jié)合相應(yīng)的巖土試驗(yàn),分析地鐵隧道構(gòu)造及周圍土體體系的動(dòng)力特性,研究振動(dòng)的傳播途徑、振動(dòng)性狀及對(duì)建筑物的影響,確定不同地質(zhì)等條件下城市軌道交通系統(tǒng)與不同構(gòu)造

7、類型、根底形式建筑物的合理間隔 ,為已建成的地鐵線路周圍建筑物振動(dòng)影響的評(píng)價(jià)及擬建軌道交通系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的理論根據(jù)。4有限元數(shù)值分析由于城市軌道交通系統(tǒng)引起的振動(dòng)較為復(fù)雜,涉及地鐵軌道道床、隧道構(gòu)造形式,場地土層類型,鄰近建筑物的基儲(chǔ)構(gòu)造形式等多種因素。而地鐵在線路上運(yùn)行產(chǎn)生的振源是一連串挪動(dòng)式作用點(diǎn),對(duì)地面形成迭加作用,較為特殊。同時(shí),埋置于土中的地下構(gòu)造在動(dòng)荷載的作用下,土與構(gòu)造的動(dòng)力互相作用不可無視,是否考慮土與構(gòu)造互相作用,其計(jì)算結(jié)果將相差很大。土中的地下構(gòu)造由于土體介質(zhì)的存在,將使構(gòu)造的振動(dòng)特性發(fā)生很大的變化,其構(gòu)造的動(dòng)力性能很可能完全改觀,因此對(duì)城市軌道交通系統(tǒng)引起的振動(dòng)

8、進(jìn)展分析具有一定的復(fù)雜性。動(dòng)力有限元法是目前研究土與構(gòu)造動(dòng)力互相作用的最常用的數(shù)值計(jì)算方法,是隨著有限元法的開展與構(gòu)造動(dòng)力學(xué)理論的日趨成熟而逐漸開展起來的。動(dòng)力有限元法可以方便地處理介質(zhì)的非均勻性、各向異性、非線性以及復(fù)雜的幾何形狀及邊界條件,因此可以進(jìn)展地下構(gòu)造動(dòng)力特性的全面深化的研究。由于地面程度方向振動(dòng)在傳導(dǎo)過程中的衰減要快于豎向(鉛錘向)的振動(dòng),沿線建筑物內(nèi)豎向振動(dòng)多大于程度方向的振動(dòng),因此在評(píng)價(jià)建筑物受地鐵振動(dòng)的影響時(shí),可以豎向振動(dòng)為主。地鐵列車豎向振動(dòng)荷載如圖1所示,由于地鐵在線路上運(yùn)行產(chǎn)生的是一連串挪動(dòng)振源,可在不同時(shí)刻在不同的計(jì)算斷面上施加荷載,如圖2中的1、2n斷面在不同的時(shí)

9、間分別施加荷載p1、p2pn。建筑物在地鐵引發(fā)振動(dòng)下的響應(yīng)分析,過去的研究多為在一個(gè)二維體系或兩個(gè)正交的二維體系下的分析,但僅當(dāng)建筑物沿隧道方向有著相當(dāng)長度及一致性時(shí)方可勉強(qiáng)簡化為二維情況進(jìn)展分析,而實(shí)際情況中極難滿足這些要求。因此,本文針對(duì)某地鐵穿越其下的建筑物,建立了地鐵隧道、土體及鄰近建筑物的三維整體模型(如圖3),對(duì)隧道及建筑物在列車振動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)展有限元分析5。研究說明,在類似工程地質(zhì)條件下,地鐵振動(dòng)對(duì)其穿越或緊鄰建筑物的影響以體波為主,以通過體波將振動(dòng)能量直接傳至建筑物根底再影響上部構(gòu)造為主要方式,面波對(duì)于該建筑物上部構(gòu)造的影響甚微5。5結(jié)語城市軌道交通系統(tǒng)不僅有效地緩解了交通擁擠狀況,同時(shí)還極大地推動(dòng)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)開展,加快城市化建立步伐。由于國內(nèi)已進(jìn)入了城市軌道交通系統(tǒng)以及城市化建立的頂峰期,積極開展城市軌道交通系統(tǒng)對(duì)周圍建筑物的振動(dòng)影響的研究,不僅可以較為準(zhǔn)確地評(píng)估其現(xiàn)有的影響,同時(shí)將使以后的城市軌道交通系統(tǒng)的規(guī)劃、建立更加全面、科學(xué),具有較強(qiáng)的前瞻性,對(duì)于保護(hù)生態(tài)環(huán)境和社會(huì)可持續(xù)開展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí),由于地鐵引發(fā)的建筑物振動(dòng)問題較為復(fù)雜,涉及交通工程、土動(dòng)力學(xué)、構(gòu)造振動(dòng)等領(lǐng)域,需對(duì)地鐵振動(dòng)波的傳播機(jī)理進(jìn)展更深一步的研究,并確切地分析鄰近建筑物的振動(dòng)效應(yīng)。參考文獻(xiàn)1夏禾,吳萱,于大明.城市軌道交通系統(tǒng)引起的環(huán)境振動(dòng)問題n.北方