鄭玄東，耿傳智

（同濟(jì)大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院，上海201804）

上海莘莊綜合樞紐工程由既有軌道交通1號線、5號線、擬建金山支線、滬杭客專南聯(lián)絡(luò)線、規(guī)劃軌道交通17號線組成五線平行換乘的一體化樞紐，物業(yè)開發(fā)部分為住宅、公寓式辦公、商業(yè)部分、酒店及辦公樓部分.該物業(yè)開發(fā)項(xiàng)目對居住環(huán)境的振動(dòng)要求較高.列車經(jīng)過時(shí)引起的振動(dòng)對周圍環(huán)境的影響［1-3］，是該類房產(chǎn)開發(fā)項(xiàng)目所面臨的重要問題.因此，對該開發(fā)項(xiàng)目中客運(yùn)專線列車運(yùn)行所引起的上蓋建筑物結(jié)構(gòu)振動(dòng)的預(yù)測分析，以及研究如何減少振動(dòng)所帶來的影響非常必要.

1 莘莊樞紐工程半空間有限元模型

根據(jù)莘莊樞紐上蓋物業(yè)開發(fā)項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)以及莘莊站地質(zhì)勘查報(bào)告，采用ANSYS軟件，建立了莘莊站半空間有限元模型.

莘莊樞紐車站結(jié)構(gòu)有限元模型寬度為600m，土層深度為92m.網(wǎng)格數(shù)量為27萬，節(jié)點(diǎn)數(shù)為28萬.

莘莊樞紐車站斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示.本文對圖1所示整個(gè)斷面進(jìn)行了有限元網(wǎng)格劃分，圖2為圖1中虛線框A所示部分的有限元模型放大.

圖1 莘莊站建筑結(jié)構(gòu)斷面Fig.1 Structure cross section of Xinzhuang Station

圖2 莘莊樞紐工程有限元模型局部放大Fig.2 Part of finite element model for Xinzhuang Hub project

圖2有限元模型中包括莘莊樞紐車站地質(zhì)勘查的13層地基土層，不同的地基土層由不同顏色有限元單元表示.有限元模型中地基土層參數(shù)依照《莘莊站地質(zhì)勘查報(bào)告終稿》中實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行確定，并且在不同地基土層的邊界處建立了對應(yīng)地基土層的黏彈性邊界條件，用以模擬無限邊界消除由于截?cái)嘈?yīng)所引起的反射波的影響［4］，用以保證仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性.模型還包括上蓋鄰近建筑物T17，與滬杭客專線路中心線的最近水平距離為10m，上蓋建筑物樓層高度120m；上蓋鄰近建筑T15與滬杭客專線路中心線的最近水平距離為97m，建筑高度138m，以及T17，T15的樁筏基礎(chǔ)、47m地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)、滬杭客專碎石道床軌道，莘莊車站的斷面結(jié)構(gòu).

本文阻尼模型采用Rayleigh阻尼，根據(jù)實(shí)測站臺的振動(dòng)加速度響應(yīng)，設(shè)定計(jì)算阻尼的兩個(gè)自振頻率為1Hz和80Hz［5］.

1.1 有限元仿真分析工況

本文仿真分析兩種工況下滬杭客專鄰近建筑物T17，T15結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng).即碎石道床軌道結(jié)構(gòu)工況，在碎石道床下方增設(shè)隔振基礎(chǔ)工況.

圖3為碎石道床下方增設(shè)隔振基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖.圖中所示A部分為碎石道床軌道結(jié)構(gòu)，B部分為隔振基礎(chǔ)，隔振基礎(chǔ)與地基之間采用彈性支撐，彈性支撐可采用橡膠或鋼彈簧支撐.

彈性支撐的剛度為7kN·mm-1，彈性支撐的阻尼常數(shù)取值為6×104N·（m·s-1）-1.采用Combin 14單元進(jìn)行模擬.

圖3 碎石道床下設(shè)隔振基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)Fig.3 Additional isolation base under ballast track

1.2 列車荷載確定

本文采用數(shù)定表達(dá)式由實(shí)測鋼軌加速度計(jì)算得到鋼軌上的垂向輪軌力［6］.首先對莘莊樞紐車站進(jìn)行了軌道結(jié)構(gòu)及站臺的振動(dòng)加速度現(xiàn)場實(shí)測.測試所得鋼軌振動(dòng)加速度時(shí)程及頻譜如圖4所示.

圖4 鋼軌實(shí)測垂向振動(dòng)加速度時(shí)程和頻譜Fig.4 Filed test time history and frequency content of vertical acceleration for rail

根據(jù)圖4所示的實(shí)測鋼軌振動(dòng)加速度并采用數(shù)定表達(dá)式的計(jì)算方法，得到碎石道床工況下的輪軌荷載的時(shí)程及頻譜，如圖5和圖6所示.滬杭客專列車通過莘莊站時(shí)車速為130km·h-1，莘莊站為碎石道床軌道結(jié)構(gòu).

現(xiàn)場測點(diǎn)以及加速度傳感器安裝位置見圖7和圖8.現(xiàn)場測試依照《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測量方法》（GB 10071—88）［7］具體要求進(jìn)行.

圖5 碎石道床下作用在鋼軌上的豎向輪軌力時(shí)域Fig.5 Time history of wheel-rail force on rail for general ballast track

圖6 碎石道床下作用在鋼軌上的豎向輪軌力頻譜Fig.6 Frequency content of wheel-rail force on rail for general ballast track

圖7 振動(dòng)測試現(xiàn)場傳感器布置Fig.7 Vibration sensors placement in test field

圖8 測試現(xiàn)場振動(dòng)加速度傳感器安裝Fig.8 Mounting of vibration sensors in test field

對于滬杭客?？瓦\(yùn)專線，碎石道床工況下將由鋼軌垂向加速度計(jì)算得出的輪軌荷載施加在半空間模型中的鋼軌上，計(jì)算結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng).

另外，將輪軌荷載施加到單獨(dú)建立的基礎(chǔ)隔振有限元模型中，計(jì)算得到彈性基礎(chǔ)位置處的支反力，然后將該支反力施加到半空間模型的路基之上計(jì)算結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，隔振基礎(chǔ)的彈性支座的支反力時(shí)程以及頻譜曲線，如圖9和圖10所示.

圖9 隔振基礎(chǔ)的彈性支座支反力時(shí)程Fig.9 Time history of base isolation support force

圖10 隔振基礎(chǔ)的彈性支座支反力頻譜Fig.10 Frequency content of base isolation support force

對比圖6、圖10可以看出經(jīng)過彈性基礎(chǔ)后傳遞到路基上的荷載頻域范圍主要集中在200Hz范圍內(nèi).

2 有限元仿真結(jié)果分析

對仿真分析結(jié)果，選取T17及T15建筑物的不同樓層臥室房間的樓板與剪力墻相連接位置處以及樓板中部作為分析對象.

2.1 時(shí)域以及頻譜分析

圖11和圖12分別為碎石道床和碎石道床下方增設(shè)隔振基礎(chǔ)工況下，建筑T17一層樓板端部位置處垂向振動(dòng)加速度時(shí)域和頻譜.圖13和圖14分別為碎石道床和碎石道床下方增設(shè)隔振基礎(chǔ)工況下，建筑T15一層樓板端部位置處垂向振動(dòng)加速度時(shí)域和頻譜.

圖11、圖13表明滬杭客?？瓦\(yùn)專線對上蓋建筑物T17的影響較大，而對相距較遠(yuǎn)的T15建筑的影響較小.T17建筑一層加速度峰值為0.03m·s-2；T15一層加速度峰值為0.002m·s-2.同時(shí)對比圖11、圖13中頻譜可以得出，在碎石道床軌道工況下，T17振動(dòng)加速度主要集中在0～60Hz范圍內(nèi)，對比T15振動(dòng)加速度主要集中在0～20Hz范圍內(nèi).

圖11 碎石道床下T17一層樓板端部位置垂向振動(dòng)加速度時(shí)域和頻譜Fig.11 Time history and frequency content of vertical vibration acceleration on the floor end of the first floor of T17building for ballast track

圖12 基礎(chǔ)隔振結(jié)構(gòu)下T17一層樓板端部位置振動(dòng)加速度時(shí)域和頻譜Fig.12 Time history and frequency content of vertical vibration acceleration on the floor end of the first floor of T17building for base isolation structure

圖13 碎石道床下T15一層樓板端部位置振動(dòng)加速度時(shí)域和頻譜Fig.13 Time history and frequency content of vertical vibration acceleration on the floor end of the first floor of T15building for ballast track

圖14 基礎(chǔ)隔振下T15一層樓板端部位置振動(dòng)加速度時(shí)域和頻譜Fig.14 Time history and frequency content of vertical vibration acceleration on the floor end of the first floor of T15building for base isolation structure

通過對比圖11、圖12可以看出，通過基礎(chǔ)隔振結(jié)構(gòu)，能明顯降低客運(yùn)專線列車帶來的中高頻振動(dòng)影響，基礎(chǔ)減振后T17一層振動(dòng)加速度峰值為0.003 6m·s-2，相對碎石道床工礦，加速度峰值減少了88%.

2.2 加速度1/3倍頻程分頻振級分析

對T17及T15建筑一層臥室房間的樓板與剪力墻相連接位置處以及樓板中部進(jìn)行加速度1/3倍頻程分頻振級分析.

結(jié)果如圖15和圖16所示.通過對比可以明顯看出，滬杭客?？瓦\(yùn)專線對T17的振動(dòng)影響大于對T15的影響.T17建筑分頻振級在8Hz左右達(dá)到最大值為80dB，T15建筑分頻振級在8Hz左右達(dá)到最大值為52dB.

圖15 建筑T17一層不同工況下1/3倍頻程分頻振級Fig.15 One third octave vibration frequency division level VLzof the first floor in T17building under different conditions

圖16 建筑T15一層不同工況下1/3倍頻程振級Fig.16 One third octave vibration frequency division level of the first floor in T15building under different conditions

在碎石道床下方增設(shè)隔振基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)后，T17一層處樓板中部位置處分頻振級最大值為60.8dB，相對碎石道床工況的78.1dB減小了17.3dB；T15一層處樓板中部位置處分頻振級最大值為34.2dB，相對碎石道床工況的50.5dB減小了16.3dB.通過圖15，結(jié)合圖11和圖12可以看出：基礎(chǔ)隔振結(jié)構(gòu)能明顯降低T17分頻振級在20～80Hz范圍內(nèi)的振動(dòng)，分頻振級最大減少30dB以上.

2.3 建筑T17和T15最大振級分析

對仿真結(jié)果T17及T15建筑結(jié)構(gòu)的垂向振動(dòng)加速度進(jìn)行分析，計(jì)算得到最大總振級VLzmax值，VLz計(jì)算方法依照GB 10071—88進(jìn)行.計(jì)算得到T17，T15建筑VLzmax均值如表1所示.

表1 不同建筑VLz max均值Tab.1 VLz maxmean values of different buildings dB

針對本項(xiàng)目工程，采用文獻(xiàn)［8-10］，建議采用晝間70dB，夜間67dB，并用VLzmax計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評價(jià).

表1列出了T17及T15建筑觀察點(diǎn)VLzmax均值.通過表1可以看出，在普通碎石道床工況下T15建筑的振動(dòng)沒有超出標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，但是T17建筑的VLzmax均值為79.68dB，超出夜間標(biāo)準(zhǔn)約12dB；采用基礎(chǔ)減振之后，T17建筑觀測點(diǎn)VLzmax均值為62.96dB，可以滿足國家及地方標(biāo)準(zhǔn)對居住環(huán)境要求的振動(dòng)限值.

3 結(jié)論

本文建立莘莊站綜合樞紐工程半空間有限元模型，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測鋼軌加速度，運(yùn)用數(shù)定表達(dá)式模擬輪軌荷載，最后對鄰近建筑物進(jìn)行振動(dòng)影響仿真分析，所得結(jié)果如下：

（1）碎石道床工礦下，T17建筑分頻振級在8 Hz左右達(dá)到最大值為80dB，T15建筑分頻振級在8Hz左右達(dá)到最大值為52dB.在碎石道床下方增設(shè)隔振基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)后，T17一層處樓板中部位置處分頻振級最大值為60.8dB，相對碎石道床工況的78.1dB減小了17.3dB；T15一層處樓板中部位置處分頻振級最大值為34.2dB，相對碎石道床工況的50.5dB減小了16.3dB.基礎(chǔ)隔振結(jié)構(gòu)能明顯降低T17分頻振級在20～80Hz范圍內(nèi)的振動(dòng)，分頻振級減少30dB以上.

（2）仿真分析結(jié)果表明，客運(yùn)專線列車經(jīng)過時(shí)對上蓋建筑物T17的影響較大，普通碎石道床工況下結(jié)構(gòu)振動(dòng)VLzmax均值為79.68dB；對T15的影響較小，VLzmax均值為59.1dB.

（3）在碎石道床下方增設(shè)隔振基礎(chǔ)，能夠有效減少客運(yùn)專線列車運(yùn)行時(shí)對莘莊站上蓋建筑T17所產(chǎn)生的振動(dòng)影響.增設(shè)隔振基礎(chǔ)后，T17建筑振動(dòng)VLzmax均值為62.96dB，相對原始工況降低16dB左右，能夠滿足規(guī)范要求.

綜上所述，在既有軌道下方增設(shè)隔振基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，能夠有效地降低滬杭客專列車通過時(shí)對莘莊站綜合樞紐工程上蓋建筑的振動(dòng)影響，滿足莘莊站綜合樞紐工程上蓋開發(fā)建筑對環(huán)境振動(dòng)的要求.

［1］ 姚錦寶.考慮土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)及隔振措施研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2010.YAO Jinbao.Study on the train-induced environmental vibrations and isolation measures considering soil-structure interaction［D］.Being：Beijing Jiaotong University，2010.

［2］ 鄧子銘.新長沙站結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析與振動(dòng)控制研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2010.DENG Ziming.Structural vibration analysis and vibration control study on the new changsha railway station［D］.Changsha：Central South University，2010.

［3］ 譚燕.鐵路交通引發(fā)場地振動(dòng)的傳播規(guī)律與隔振措施研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2011.TAN yan.Study on the propagation laws and isolation measures of railway induced site vibration［D］.Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2011.

［4］ 劉晶波，谷音，杜義欣.一致粘彈性人工邊界及粘彈性邊界單元［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28（9）：1070.LIU Jingbo，GU Yin，DU Yixin.Consistent viscous-spring artificial boundaries and viscous-spring boundary elements［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28（9）：1070.

［5］ 王田友.地鐵運(yùn)行所致環(huán)境振動(dòng)與建筑物隔振方法研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.WANG Tianyou.Study on subway-induced environmental vibration and isolation method of building from it［D］.Shanghai：Tongji University，2007.

［6］ 劉衛(wèi)豐，劉維寧，聶志理，等.地鐵列車運(yùn)行引起的振動(dòng)對精密儀器影響的預(yù)測研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2013，32（8）：18.LIU Weifeng，LIU Weining，NIE Zhili，etal.Prediction of effects of vibration induced by running metro trains on sensitive instruments［J］.Journal of Vibration and Shock，2013，32（8）：18.

［7］ 國家環(huán)境保護(hù)局.GB10071—88城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測量方法［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1989.National Environmental Protection Bureau.GB 10071 88，Measurement method of environmental vibration of urban area［S］.Beijing：Chinese Standard Press，1989.

［8］ 國家環(huán)境保護(hù)局.GB10070—88城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1989.National Environmental Protection Bureau.GB 10070—88 Standard of environmental vibration in urban area［S］.Beijing：Chinese Standard Press，1989.

［9］ 建設(shè)部科技發(fā)展促進(jìn)中心.JGJ/T170—2009城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測量方法準(zhǔn)［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.Technology Development Promotion Center of the Ministry of Construction of the People＇s Republic of China.JGJ/T170—2009 Standard for limit and measuring method of building vibration and secondary noised caused by urban rail transit［S］.Beijing：China Architecture &Building Press，2009.

［10］ 上海市環(huán)境保護(hù)局.DB31/T470城市軌道交通（地下段）列車運(yùn)行引起的住宅室內(nèi)振動(dòng)與結(jié)構(gòu)噪聲限值及測量方法［S］.上海：上海市質(zhì)量監(jiān)督局，2009.Shanghai Environmental Protection Bureau.DB31/T470 Limits and measurement methods for vibration and ground-borne noise in dwellings caused by the moving vehicles of urban rail transit（underground railway）［S］.Shanghai：Shanghai Quality Supervision Bureau，2009.