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        周期性層狀隔振屏障影響參數(shù)分析

        2016-10-24 08:14:09王另的王文斌張勝龍
        現(xiàn)代城市軌道交通 2016年5期
        關(guān)鍵詞:振動(dòng)效果

        王另的,孫 寧,王文斌,張勝龍

        (中國鐵道科學(xué)研究院,北京 100081)

        周期性層狀隔振屏障影響參數(shù)分析

        王另的,孫 寧,王文斌,張勝龍

        (中國鐵道科學(xué)研究院,北京 100081)

        隨著城市軌道交通的蓬勃發(fā)展和減振需求的不斷提高,軌道減振措施的局限性及環(huán)境振動(dòng)超標(biāo)問題越來越凸顯。文章考慮地鐵近場地層的振動(dòng)傳播特性,基于ANSYS軟件對(duì)周期性層狀隔振屏障進(jìn)行仿真分析,研究了周期性層狀隔振屏障結(jié)構(gòu)的樁長、樁間凈距、樁材料、屏障距樓距離等不同參數(shù)對(duì)其減振效果的影響,并分析了多種參數(shù)組合時(shí)屏障的隔振效果。

        軌道交通;隔振屏障;數(shù)值仿真

        0 引言

        據(jù)統(tǒng)計(jì),截止到 2015 年底,全國已有 26 個(gè)城市擁有了城市軌道交通運(yùn)營服務(wù)。飛速發(fā)展的城市軌道交通在緩解交通壓力的同時(shí)也引起了越來越嚴(yán)重的環(huán)境振動(dòng)問題。解決城市軌道交通環(huán)境振動(dòng)問題主要從振源減振、傳播路徑隔振和敏感目標(biāo)被動(dòng)隔振等 3 個(gè)途徑入手。目前,地鐵通常采用振源減振方式,少有傳播路徑隔振配套治理措施,致使地鐵振動(dòng)擾民現(xiàn)象仍舊存在。國內(nèi)外已普遍認(rèn)識(shí)到屏障隔振是解決軌道交通振動(dòng)影響的有效措施,并逐步采用屏障隔振方式進(jìn)行振動(dòng)治理,常用的有空溝、填充溝、單排樁、多排樁、蜂窩狀屏障、地下連續(xù)墻等。

        地鐵振動(dòng)能量更多的以體波的形式傳播至敏感建筑物,對(duì)于地質(zhì)比較松軟,土體中振波波長很大的情況下,要想取得良好的隔振效果必須用深溝,但深溝施工難度大、效果不穩(wěn)定。同時(shí),由于地鐵隧道埋深通常達(dá)十多米甚至幾十米,基本不可能采取空溝隔振,連續(xù)樁墻和填充溝隔振的使用也會(huì)受到限制。此時(shí),排樁體系因具有不受地質(zhì)條件限制、施工方便、隔振效果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),便成了一種更加切實(shí)可行的隔振結(jié)構(gòu)[1]。

        本文針對(duì)一種地鐵路徑隔振結(jié)構(gòu)——周期性層狀隔振屏障,分析樁長、樁間凈距、屏障距樓距離、樁材料等 4 個(gè)不同參數(shù)對(duì)其隔振效果的影響,為今后城市軌道交通的路徑隔振措施提供一些有益的借鑒。

        1 周期性層狀隔振屏障的影響參數(shù)

        1.1周期性層狀隔振屏障原理

        周期性層狀隔振屏障,利用周期結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),對(duì)多排樁進(jìn)行合理設(shè)計(jì)使其與土構(gòu)成具有周期性的非連續(xù)性屏障(圖 1)。通過改變屏障結(jié)構(gòu)參數(shù),調(diào)整屏障的隔振頻帶,可阻隔或改變振動(dòng)波的傳播。周期性層狀隔振屏障具備工程可行性,且穩(wěn)定性好,適用于多種軌道振源型式,它既可以作為一種有效的城市軌道交通隔振結(jié)構(gòu),用于新建地鐵線路振動(dòng)敏感建筑物隔振,又可作為既有線振動(dòng)超標(biāo)建筑物的治理措施,控制城市有害振動(dòng)的傳播。

        1.2周期性層狀隔振屏障的影響參數(shù)

        影響周期性層狀隔振屏障結(jié)構(gòu)隔振效果的主要參數(shù)有樁徑、樁長、樁間凈距、樁排數(shù)、排間距、樁土剛度比、隔振材料等。

        國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)層狀隔振屏障排樁進(jìn)行了大量深入系統(tǒng)的理論研究和實(shí)驗(yàn)仿真工作。Kattsi 等[2]采用邊界元三維模型研究了排樁的隔振問題,提出排樁隔振效果與排樁的樁徑、排樁長度和寬度等因素關(guān)系較大;徐滿清[3]提出排樁排數(shù)越多效果越好,排樁間距影響不大,但樁間凈距影響較大,而樁土剛度比在不同荷載速度下有不同影響;趙世俊[4]提出排樁布置型式、距振源位置、排樁間距對(duì)多排樁結(jié)構(gòu)的減振效果影響不明顯,樁間凈距越小越好,并指出多排樁主要靠排數(shù)來實(shí)現(xiàn)隔振效果;高廣運(yùn)課題組[5~6]通過波的衍射理論與試驗(yàn)分析,證明圓形截面排樁有較好的隔振效果,提出排樁隔振效果主要取決于排數(shù)和樁間凈距;郭炳川[7]應(yīng)用控制變量法分析排樁參數(shù),指出改變樁體材料對(duì)隔振效果沒有顯著影響;周亞坤[8]基于周期性結(jié)構(gòu)的帶隙理論,設(shè)計(jì)了周期性隔振墻,并得出周期性隔振墻能夠隔離 30~80 Hz 的振動(dòng)。

        圖 1 周期性層狀隔振屏障示意圖

        綜合考慮現(xiàn)有結(jié)論及研究需要,本文采用 ANSYS三維有限元軟件建立周期性層狀隔振屏障仿真模型,對(duì)層狀隔振屏障隔振效果影響較大的樁長、樁間凈距、屏障距樓距離、樁材料等 4 個(gè)參數(shù)進(jìn)行研究,分析其對(duì)層狀隔振屏障減振效果的影響。

        2 周期性層狀隔振屏障仿真分析

        2.1有限元模型及參數(shù)設(shè)置

        某A建筑物北臨北京市某地鐵車輛段出入段線,與線路最近距離僅為 11.8 m,易受到地鐵振源的振動(dòng)影響。根據(jù)隔振設(shè)計(jì),在線路和A建筑物之間布設(shè)周期性層狀隔振屏障(圖 2、圖 3)。本文基于 ANSYS 有限元軟件建立 A 建筑物與車輛段有限元模型(圖 4、圖 5),采用控制變量法研究層狀隔振屏障不同參數(shù)對(duì)隔離地鐵振動(dòng)的影響。有限元模型中,土層和層狀隔振屏障排樁均采用實(shí)體單元 Solid45 模擬,軌道和車庫梁柱采用三維粱單元 Beam188,A 建筑物用殼單元 Shell63 模擬。

        圖 2 車輛段A建筑物及線路示意圖

        圖 3 層狀隔振屏障布設(shè)位置

        圖 4 車輛段與A建筑物仿真模型

        圖 5 層狀隔振屏障模型

        綜合考慮現(xiàn)有研究結(jié)論及本工程實(shí)際情況,對(duì)層狀隔振屏障影響較大的樁長、樁間凈距、屏障距樓距離、樁材料等參數(shù),分別選擇3個(gè)量值進(jìn)行組合計(jì)算,見表 1。計(jì)算過程中,先選取典型的參數(shù)組合進(jìn)行計(jì)算,同時(shí)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整,爭取以最小的計(jì)算量得出最佳的隔振性能的參數(shù)組合;對(duì)隔振影響較小的樁徑、排樁間距、樁截面型式僅取排距 1 m、樁徑 1 m 標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算。此外,為利于波的散射,層狀隔振屏障排樁單體設(shè)計(jì)為圓柱體。由于北京市地下土層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,本文采用北京市平均地層參數(shù)進(jìn)行模型計(jì)算,見表2。

        表 1 排樁參數(shù)取值表

        表 2 模型土層參數(shù)表

        2.2模型計(jì)算荷載的獲取

        本文計(jì)算模型荷載采用實(shí)測荷載數(shù)定法得到,即,據(jù)實(shí)測鋼軌加速度經(jīng)過 MATLAB 程序計(jì)算,獲得軌道豎向列車振動(dòng)荷載的方法。列車引起的鋼軌垂向振動(dòng)具有隨機(jī)特性,經(jīng)小波分解和重構(gòu)以后的鋼軌加速度時(shí)程可以認(rèn)為是一個(gè)具有零均值的各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)高斯過程,因此,可以將鋼軌垂向振動(dòng)加速度經(jīng)傅里葉變換后用式(1)表示[9~10]:

        考慮車輛的豎向振動(dòng),將列車簡化為一系、二系彈簧質(zhì)量系統(tǒng)模型的組合,并設(shè)這個(gè)組合是沿縱向均勻分布的,由此可得到圖 6 地鐵列車豎向振動(dòng)簡化模型:

        圖 6 地鐵列車豎向振動(dòng)簡化模型

        利用直接平衡法建立車體豎向運(yùn)動(dòng)平衡方程為:

        設(shè)質(zhì)量塊之間的相對(duì)位移別為 ξ1= z1- z0,ξ2= z2- z1,ξ3= z3- z2,則式(2)可以改寫為:

        在列車行駛過程中,若忽略輪軌之間的彈跳作用,可以認(rèn)為車輪的豎向振動(dòng)加速度與實(shí)測的鋼軌加速度相等,即:

        相應(yīng)的:

        則式(2)變?yōu)椋?/p>

        根據(jù) D’Alembert 原理,可得輪軌間的相互作用力為:

        通過現(xiàn)場實(shí)測,得到該處的振源振動(dòng)測試數(shù)據(jù),利用上述數(shù)定方法,計(jì)算得到地鐵列車運(yùn)行下的振源輪軌激勵(lì)力,作為模型的荷載輸入(圖 7)。

        2.3計(jì)算結(jié)果分析

        本文采用三維動(dòng)力有限元計(jì)算的方式,計(jì)算A建筑物樓內(nèi)一層地板處的振動(dòng)響應(yīng)。

        圖 8、圖 9 給出了隔振屏障樁長從 6 m 增至 10.5 m,地鐵列車經(jīng)過時(shí) A 建筑物樓內(nèi)地板處的振級(jí)和 1/3 倍頻程頻譜。由圖 8、圖 9 可見,受荷載激勵(lì)時(shí),Z 振級(jí)最大值在 67 dB 左右,1/3 倍頻程頻曲線出現(xiàn) 2 個(gè)波峰,位置分別在 16 Hz、31.5 Hz 左右。

        圖 10 給出了周期性層狀隔振屏障的排樁樁長、樁間凈距、屏障距樓距離、樁材料等 4 個(gè)參數(shù)對(duì)屏障減振效果的影響程度,從圖 10 中可以看出:

        (1)樁長從 6.0 m 增至 10.5 m 時(shí),周期性層狀隔振屏障減振量由 0.64 dB 增加到 1.28 dB,但減振量增加率減小(圖10 a);

        (2)樁間凈距由 0.5 m 增加到 1.0 m 時(shí),周期性隔振屏障減振量先增加后降低,1.0 m 時(shí)的減振量仍大于0.5 m 時(shí)的減振量,且在 0.75 m 時(shí)減振效果最優(yōu),減振量達(dá)到 1.7 dB(圖10 b);

        圖 7 實(shí)測鋼軌垂向加速度和數(shù)定激勵(lì)力

        圖 8 不同樁長Z振級(jí)時(shí)程曲線

        圖 9 不同樁長1/3倍頻程頻譜

        (3)隨著周期性隔振屏障距 A 樓距離的增加,減振效果呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,在距離約3 m處,減振量最大,達(dá) 1.6 dB(圖10 c);

        (4)隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高,減振量成線性增加,但增加率不大(圖10 d)。

        圖 10 不同樁長1/3倍頻程頻譜

        3 結(jié)論

        本文基于某地鐵軌道振源的實(shí)際測試數(shù)據(jù),通過ANSYS 有限元分析,得到樁長、樁間凈距、屏障距樓距離、樁材料等 4 個(gè)參數(shù)對(duì)周期性隔振屏障減振量的影響,得到以下結(jié)論。

        (1)隨樁長增加,周期性層狀隔振屏障減振量逐漸增大但減振量增加率逐漸減??;隨著樁間凈距及屏障與建筑物之間距離的增加,周期性層狀隔振屏障減振量先增加后降低;隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高,周期性隔振屏障減振量成線性增加,但減振量增加率不大。

        (2)相關(guān)行業(yè)工作者在設(shè)計(jì)周期性層狀隔振屏障時(shí)應(yīng)對(duì)各影響參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),綜合考慮。針對(duì)本文中研究的線路條件和地層參數(shù)的實(shí)際情況,周期性層狀隔振屏障的最優(yōu)參數(shù)組合為:采用 C20 混凝土材料,樁長 10.5 m,樁間凈距 0.75 m,樁距樓距離 3 m。

        [1] 韋紅亮,呂紹棣. 鐵路環(huán)境振動(dòng)單排樁隔振數(shù)值分析[J]. 華東交通大學(xué)學(xué)報(bào),2008,25(2):10-15.

        [2] Kattis S E,Poiyzos D,Beskos D E. Modeling of pile wave barriers by effective trenches and their screening effectiveness[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering,1999,18(1):1-10.

        [3] 徐滿清. 軌道交通振動(dòng)傳播與排樁減振的數(shù)值分析方法及應(yīng)用[D]. 江西南昌:南昌大學(xué), 2010.

        [4] 趙世俊. 混凝土排樁隔振的現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)值模擬[D].河南鄭州:鄭州大學(xué),2014.

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        [7] 郭炳川,孫立強(qiáng),閆澍旺,等. 不同布置形式的排樁隔振效果的數(shù)值分析[J]. 地震工程學(xué)報(bào),2014,36(3):510-515.

        [8] 周亞坤. 周期結(jié)構(gòu)在屏障隔振中的應(yīng)用[D]. 北京:北京交通大學(xué),2010.

        [9] 張玉娥,白寶鴻. 地鐵列車振動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)激振荷載的模擬[J]. 振動(dòng)與沖擊,2000,19(3):68-70.

        [10] 胡宗允,李晶晶. 地鐵列車荷載分析方法[J]. 路基工程,2006(5):18-20.

        責(zé)任編輯 朱開明

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        urban rail transit, vibration barrier, numerical simulation

        TU435

        2015-03-04

        王另的(1987—),女,碩士研究生

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