鐘才敏， 馬人樂， 吳學(xué)淑

(1.同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系，上海 200092； 2.中國建筑設(shè)計院上海中森建筑與工程設(shè)計顧問有限公司，上海 200120)

地鐵運(yùn)行區(qū)域新建建筑全過程實測與數(shù)值模擬

鐘才敏1，2， 馬人樂1， 吳學(xué)淑2

(1.同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系，上海 200092； 2.中國建筑設(shè)計院上海中森建筑與工程設(shè)計顧問有限公司，上海 200120)

以鄰近地鐵線路的某新建建筑為例，對從項目動工至建筑封頂過程中的主要節(jié)點進(jìn)行全過程實測，得到地鐵經(jīng)過時自由場地及施工不同階段建筑內(nèi)部各樓層的振動數(shù)據(jù)。建立單體的有限元模型，采用不同的激勵輸入方式進(jìn)行數(shù)值模擬，并將計算結(jié)果與實測結(jié)果進(jìn)行對比驗證，以獲取既有地鐵運(yùn)行區(qū)域擬建建筑施工前振動預(yù)測的有效方法。在數(shù)值分析過程中，針對環(huán)境振動，提出了“原位激勵”的概念。分析結(jié)果表明：一致激勵輸入僅適用于建筑平面尺寸較小時進(jìn)行初步預(yù)測；原位激勵與多點激勵的輸入方式計算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，可滿足設(shè)計各個階段的振動預(yù)測需求；根據(jù)不同的需求可分別選擇采用原位激勵或多點激勵的輸入方式進(jìn)行振動預(yù)測；采用自由場地實測結(jié)果作為輸入激勵進(jìn)行振動預(yù)測時，可將計算結(jié)果根據(jù)不同的建筑類型進(jìn)行修正。該研究成果可對既有地鐵運(yùn)行區(qū)域擬建建筑施工前進(jìn)行振動評價提供參考。

地鐵振動；數(shù)值模擬；原位激勵；多點激勵；振動預(yù)測

近年來，軌道交通在我國得到迅猛發(fā)展。軌道交通給人們帶來便利的同時，其運(yùn)行引起的環(huán)境污染問題也日益引起關(guān)注，特別是地下線路(地鐵)的振動污染已成為城市環(huán)境影響的主要問題之一[1]。在上海等大城市，軌道交通的運(yùn)行線路已從原有的市區(qū)擴(kuò)展到郊區(qū)。同時，由于城市土地短缺以及前期規(guī)劃的不合理，越來越多的新建筑在既有地鐵運(yùn)行區(qū)域建造，從而對鄰近地鐵運(yùn)行區(qū)域擬建建筑施工前的振動預(yù)測提出了迫切需求。

地鐵運(yùn)行引起的場地及周邊建筑物振動是一個復(fù)雜的系統(tǒng)問題，包括了振源、傳播途徑及受振體三個方面。對于這個問題主要有四種研究方法，即解析法、現(xiàn)場實測法、經(jīng)驗預(yù)測法和數(shù)值模擬法[2]。目前，在項目前期，國內(nèi)外對地鐵運(yùn)行區(qū)域擬建建筑的振動預(yù)測主要采用經(jīng)驗預(yù)測法[3-4]。我國在實際實施時主要依據(jù)環(huán)評部門的環(huán)評報告，但是由于軌道交通振動預(yù)測目前尚無成熟、通用的預(yù)測模式，且受環(huán)評部門自身專業(yè)及實際工程經(jīng)驗等因素的局限，大多很難將振動的污染情況進(jìn)行準(zhǔn)確、全面的分析。以有限元方法為主的數(shù)值模擬方法在近幾十年來得到快速發(fā)展并在軌道交通領(lǐng)域得以應(yīng)用。王田友等[5-6]建立擬建建筑有限元模型，采用場地實測數(shù)據(jù)作為輸入激勵進(jìn)行振動預(yù)測；馬蒙等[7]采用實測獲取已有建筑場地外的地鐵振動數(shù)據(jù)作為輸入激勵，建立建筑模型進(jìn)行數(shù)值分析。有限元法可方便的模擬環(huán)境振動的各個系統(tǒng)，但該方法采用了各種程度的假設(shè)，模擬計算結(jié)果的準(zhǔn)確性需要相應(yīng)的實測驗證。由于場地及建筑物實測受諸多因素的影響，且需要進(jìn)行大量的重復(fù)試驗，周期長，耗費(fèi)大，因而已有研究成果大多僅基于對施工前自由場地或已建成建筑的階段性實測，而針對同一新建建筑從施工前的自由場地至結(jié)構(gòu)封頂進(jìn)行全過程實測并建立有限元模型進(jìn)行對比驗證則幾乎未涉及。

本文針對已投入運(yùn)營的上海地鐵7號線附近的某新建醫(yī)院建筑進(jìn)行全過程實測，同時建立該建筑的有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并將計算結(jié)果與實測結(jié)果進(jìn)行對比驗證，以探討適用于既有地鐵運(yùn)行區(qū)域擬建建筑振動預(yù)測的數(shù)值分析方法。

1 擬建建筑物概況與測試結(jié)果

擬建醫(yī)院由4幢單體建筑組成，布置于地鐵沿線兩側(cè)。為獲取地鐵運(yùn)行引起的建筑物振動數(shù)據(jù)，在施工過程中對位于地鐵同側(cè)的行政樓與住院樓進(jìn)行了實測，建筑物與地鐵關(guān)系及測點布置如圖1所示。

圖1 測線與測點布置示意圖Fig.1 Layout of test lines and points

行政樓為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑面積5 850 m2，地上4層，無地下室，結(jié)構(gòu)外邊線與地鐵隧道最近距離為15.42 m；住院樓為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑面積40 600 m2，地下1層，地上13層，結(jié)構(gòu)外邊線與地鐵隧道最近距離為13.84 m。根據(jù)建筑物情況，布置了A、B兩條測線，每條測線在建筑物投影范圍內(nèi)布置4個測點，建筑與地鐵之間布置2個測點。測點與地鐵隧道中心的水平距離分別為0 m、10 m、20 m、35 m、50 m和65 m，并據(jù)此對測點進(jìn)行命名(如A35即為A測線距離隧道中心35 m的測點)。每個測點同時測試3個方向的振動(Z為豎向、Y為順?biāo)淼浪椒较颉為垂直隧道水平方向)。根據(jù)已有研究，Z向振動對人體影響最大[8]，因而文中分析主要考慮Z向振動。

測量儀器采用Lance LC0132T高靈敏度壓電式加速度傳感器，傳感器靈敏度系數(shù)為42 V/g,分辨率為2 μg。采用同濟(jì)大學(xué)開發(fā)的SVSA 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣頻率為200 Hz。為獲取地鐵運(yùn)行引起對擬建建筑物全過程的振動時程，進(jìn)行現(xiàn)場實測的時間需根據(jù)工程進(jìn)度進(jìn)行。整個工程的施工，從場地平整至建筑物封頂，歷時近三年。為保證測試結(jié)果的有效性，每個測點測試次數(shù)不少于5次。同時，各次測試均在一天中的相同時段進(jìn)行，以減少不同時段地鐵的不同運(yùn)行狀況帶來的影響。本文所涉及的測試工況如表1所示。

現(xiàn)場實測得到的是測點在地鐵經(jīng)過時的加速度時程。為方便比較，本文將加速度時程換算為加速度有效值以及計權(quán)振動加速度級[9]，以測點強(qiáng)度形式對各點進(jìn)行比較。采用加速度有效值描述的行政樓與住院樓在各工況下測點的振動情況如表2、表3所示。

表1 測線A、測線B測試工況與測點位置Tab.1 Test conditions and locations of line A and line B

表2 行政樓實測加速度有效值Tab.2 Field test root mean square value of accelerationof administration building gal

表3 住院樓實測加速度有效值Tab.3 Field test root mean square value of accelerationof inpatient building gal

2 環(huán)境振動問題的有限元法

地鐵運(yùn)行引起的環(huán)境振動問題，常規(guī)的分析方法是建立隧道-土層-建筑物完整模型，并將地鐵運(yùn)行產(chǎn)生振動施加到軌道結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分析。對于既有地鐵運(yùn)行區(qū)域，新建建筑只能建在地鐵線路外側(cè)的一定距離之外，且施工時對已有線路的影響有嚴(yán)格要求；其次，既有地鐵運(yùn)行區(qū)域地鐵已經(jīng)開通，可方便的測得地鐵經(jīng)過建設(shè)場地時地面的加速度時程，因而可參照建筑物抗震的計算方法，即直接建立上部結(jié)構(gòu)三維剛性地基模型，并將地鐵經(jīng)過時的實測自由場地加速度時程作為激勵輸入到建筑物底部進(jìn)行計算分析。

對于環(huán)境振動，求解動力有限元方程的方法與抗震時有所不同。動力有限元常微分方程的常用解法可分為兩類：直接積分法和振型疊加法。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，一般采用振型疊加法來計算地震作用。地鐵運(yùn)行所引起的場地振動與地震波相比有很大的差異。在振動強(qiáng)度方面，地鐵引起的場地振動波遠(yuǎn)小于地震波；從頻譜來看，地震波的卓越頻率在2～3 Hz之間，而地鐵引起的場地振動波卓越頻率在50～80 Hz之間。對于具有高頻特性的環(huán)境振動，應(yīng)采用直接積分法進(jìn)行計算。

由于地鐵引起振動的高頻特性，模擬地鐵振動時需要考慮較寬的頻帶。計算分析采用Rayleigh阻尼，取較高頻率振型的阻尼比用以確定阻尼常數(shù)，以避免高頻振型反應(yīng)由于高阻尼被消除[10]。數(shù)值模擬時對頻率為5 Hz與80 Hz所對應(yīng)振型的阻尼比取為0.03來確定其他振型的阻尼比。

在動力荷載作用下工程結(jié)構(gòu)的反應(yīng)分析實質(zhì)是一個波動問題。計算時需要使得有限元單元尺寸和波長之比足夠小，這樣波動的數(shù)值模擬才具有一定的精度[11]。對于環(huán)境振動，根據(jù)波長可將單元的最大尺寸控制在2.0～3.0 m[12]。

計算時時間步長的選擇是另一個重要因素。在選擇時間步長時，不僅需要考慮解的精度，還需要考慮解的收斂性以及穩(wěn)定性。對于環(huán)境振動，建議所取時間步長不小于輸入激勵所對應(yīng)的時間步。

3 地鐵運(yùn)行引起建筑物振動的數(shù)值模擬

采用Sap2000通用有限元軟件建立行政樓與住院樓三維有限元剛性地基模型。行政樓沒有地下室，取地面所在位置(一層)作為計算模型的底部。住院樓有一層地下室，采用數(shù)值方法進(jìn)行環(huán)境振動分析時，可不考慮地下室的影響，而僅對上部結(jié)構(gòu)建立有限元模型進(jìn)行分析[13]，因而住院樓也以一層作為三維模型的底部。兩個單體的三維計算模型，如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬三維計算模型Fig.2 3D calculation model of numerical simulation

3.1 數(shù)值模擬的輸入激勵

項目實測時獲取了自由場地、施工完一層樓板時的一層樓面以及結(jié)構(gòu)封頂后的一層樓面加速度時程(見表1)。測點在三種工況中所處的空間位置基本一致，均在建筑物底部，但處于項目建設(shè)的不同階段，因而振動存在一定的差異。將這三組實測獲取的加速度時程轉(zhuǎn)化為加速度有效值(見表2、表3)，并將結(jié)果繪入同一圖中以比較不同工況測點強(qiáng)度變化，如圖3所示。

圖3 自由場地與一層樓面實測結(jié)果對比Fig.3 Comparison of test results of free field and 1st floor

從圖3可知，距離地鐵隧道中心不大于50 m的測點，自由場地時實測的振動強(qiáng)度最大，施工完一層樓板時的一層樓面次之，結(jié)構(gòu)封頂后的一層樓面振動強(qiáng)度最小。造成這個結(jié)果的原因如下：自由場地測試時尚無建筑物，振動強(qiáng)度只與振源強(qiáng)度、與振源的距離以及土層特性有關(guān)；一層樓板澆完后，樓面測點通過混凝土樓板形成了整體，各測點之間有一定的相互影響，振動波從土中傳入混凝土樓板中時存在部分的能量損失，因而振動有所減弱；結(jié)構(gòu)封頂后，上部建筑質(zhì)量大、剛度好，振動波從自由場地傳入建筑物進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化時產(chǎn)生的能量損失較一層樓板完成時更大，從而減弱了振動強(qiáng)度。

采用三維剛性地基模型進(jìn)行數(shù)值模擬時未考慮土層-建筑物的相互作用，有限元模型與結(jié)構(gòu)封頂后的建筑一致，且模型底部與實際一層樓面位置相同。因而通過數(shù)值模擬方法與實測上部樓層結(jié)果進(jìn)行對比驗證時，采用結(jié)構(gòu)封頂時一層樓面的實測加速度時程作為剛性地基模型的輸入激勵才是合適的，此時的激勵與實際情況完全對應(yīng)。本文后續(xù)章節(jié)對行政樓、住院樓進(jìn)行數(shù)值模擬時，均采用結(jié)構(gòu)封頂后的一層樓面實測時程作為輸入激勵。但對于既有地鐵運(yùn)行區(qū)域，需要在建筑物施工前進(jìn)行振動預(yù)測時，只能獲取自由場地的振動時程。由于將自由場地實測振動輸入模型進(jìn)行計算時無法考慮土層-建筑物相互作用產(chǎn)生的能量損失，將導(dǎo)致計算結(jié)果與實際情況存在一定的差異。該差異可通過對模型分別采用自由場地以及結(jié)構(gòu)封頂后一層樓面實測時程作為輸入激勵的計算結(jié)果對比得到。在確定輸入激勵時，選擇符合地鐵時程特點的典型時程，同時所選時程的加速度有效值不小于該測點5次實測時程有效值的平均值。

3.2 行政樓數(shù)值模擬分析

對于地震波來說，只有在計算大跨結(jié)構(gòu)時，才會考慮多點激勵與行波效應(yīng)。而對于地鐵運(yùn)行引起的環(huán)境振動，振動強(qiáng)度隨著與地鐵隧道距離的增大而迅速變化，導(dǎo)致建筑物中與地鐵隧道距離不同的點接受到的振源輸入強(qiáng)度差異非常大，因而計算時采用多點激勵輸入才是合適的。但由于采用多點激勵計算的工作量較大，目前一致激勵的輸入方式仍被廣泛采用。近些年部分研究已開始嘗試采用多點激勵來分析建筑物的響應(yīng)[14]。但由于缺乏建筑物全過程實測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，這些研究目前僅停留在理論計算階段。盡管如此，由于一致激勵輸入所具有的計算速度優(yōu)勢以及更強(qiáng)的可操作性，采用一致激勵進(jìn)行環(huán)境振動研究仍具有重要的意義，特別是可以較好的滿足項目方案設(shè)計階段的需求。

3.2.1 一致激勵輸入計算分析

對于鄰近地鐵的擬建建筑，在項目的方案設(shè)計階段，需要采用保守的計算方法對于地鐵運(yùn)行可能引起的建筑內(nèi)振動情況進(jìn)行預(yù)測。此時可采用一致激勵的輸入方式計算建筑物的振動響應(yīng)。

對于行政樓，采用結(jié)構(gòu)封頂后1層A20測點實測時程作為輸入激勵對三維模型進(jìn)行分析，計算結(jié)果如表4所示。將表2中的實測數(shù)據(jù)與表4結(jié)果繪制在同一張圖中，以比較實測結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果的差異，如圖4所示。

表4 行政樓一致激勵輸入時各樓層計算加速度有效值Tab.4 Caculated root mean square value of accelerationwith uniform excitation of administration building gal

從圖4(a)、圖4(b)可看出，由于輸入激勵為一層A20測點的實測時程， A20測點以及鄰近的A35測點在二層與三層的計算結(jié)果與實測結(jié)果接近。另外也可看出，A35測點吻合度甚至要略高于A20測點。造成這個結(jié)果的主要原因在于引起實測振動的激勵與計算時輸入的激勵不一致，從而產(chǎn)生一定的偏差；另一方面，一致激勵的輸入方式導(dǎo)致相同強(qiáng)度的振動從各豎向構(gòu)件底部傳到測試樓層，并在測點處振動疊加也對結(jié)果產(chǎn)生影響。A50與A65測點的計算結(jié)果均明顯大于實測結(jié)果。這是由于輸入激勵的強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于A50與A65測點的實際振源強(qiáng)度。如A65測點，其結(jié)構(gòu)封頂后一層實測加速度有效值僅為0.14 gal，遠(yuǎn)小于作為一致激勵輸入的加速度有效值0.59 gal。圖4(c)顯示四層A65測點差異要小于二層以及三層，這是由于隨著樓層的增加，實測振動響應(yīng)逐步衰減，從而導(dǎo)致與計算結(jié)果的差異也逐漸變小。

從以上分析可知，采用一致激勵輸入對建筑物內(nèi)振動響應(yīng)進(jìn)行初步預(yù)估時，將建筑內(nèi)與地鐵距離最近的測點實測時程作為輸入激勵進(jìn)行計算是偏安全的，但如果其他測點實測數(shù)據(jù)有反彈，則應(yīng)考慮振動反彈點對于建筑物的影響。對于多層建筑而言，采用一致激勵輸入時，作為輸入激勵測點的相鄰范圍(15 m以內(nèi))的計算結(jié)果與實測結(jié)果較為接近，可作為建筑平面布置的參考依據(jù)。建筑物內(nèi)其他區(qū)域，尤其是較低樓層部位，計算結(jié)果將明顯大于實際振動強(qiáng)度。

3.2.2 原位激勵輸入計算分析

“原位激勵”是本文針對環(huán)境振動(文中為地鐵運(yùn)行引起的建筑物振動)特點所提出的一個概念。所謂“原位激勵”，是指預(yù)測建筑物內(nèi)由于地鐵運(yùn)行引起的振動時，對于建筑物內(nèi)某樓層的特定區(qū)域，計算時采用該區(qū)域在地面投影內(nèi)測點的實測加速度時程作為輸入激勵的計算方法。例如，需要了解行政樓三層距離地鐵隧道50 m處房間的振動情況時，則選擇自由場地A50測點實測加速度時程作為輸入激勵進(jìn)行計算即可，但所得到的計算結(jié)果也僅適用于各樓層該測點所對應(yīng)區(qū)域?！霸患睢睂嵸|(zhì)上是一致激勵的特殊輸入方式，一次計算得到的結(jié)果僅對輸入激勵測點所對應(yīng)的上部特定區(qū)域有效。要獲取其他區(qū)域的振動響應(yīng)時需要采用目標(biāo)區(qū)域在地面投影范圍內(nèi)測點的實測時程重新輸入進(jìn)行計算。

根據(jù)“原位激勵”的定義，將結(jié)構(gòu)封頂后的一層各測點的實測加速度時程分別作為激勵進(jìn)行計算，每次取與輸入激勵測點所對應(yīng)的上部樓層測點計算結(jié)果并最終進(jìn)行匯總，得到整個建筑物的振動數(shù)據(jù)，結(jié)果見表5。將該表結(jié)果與實測結(jié)果(表2)繪圖進(jìn)行比較，如圖5所示。從圖中可看出，無論是數(shù)據(jù)的吻合度還是變化趨勢，原位激勵計算結(jié)果與實測結(jié)果均表現(xiàn)出較好的一致性，但部分測點還是有一定的差異，原因存在于以下幾個方面：首先，上述計算結(jié)果均為某特定點原位激勵輸入時的振動響應(yīng)，這個結(jié)果無法反應(yīng)測點之間振動的相互影響；其次，計算時不同樓層的計算結(jié)果對應(yīng)同一個輸入激勵，而實測時受人力及儀器限制，每次最多同時對一個樓層測點進(jìn)行測試，因而不同樓層的實測結(jié)果是由不同列車運(yùn)行引起的。盡管實測時對各測點進(jìn)行了多次測量并取比較后的振動典型時程，但由于實測不可避免的受地鐵列車運(yùn)行參數(shù)(如載重、車速等)的影響，因而該結(jié)果與同一振源引起的振動相比必然存在一定的差異。

圖4 行政樓實測結(jié)果與一致激勵輸入時計算結(jié)果對比Fig.4 Comparison of test results and calculated results with uniform excitation of administration building

圖5 行政樓實測結(jié)果與原位激勵輸入計算結(jié)果對比Fig.5 Comparison of test results and calculated results with in situ excitation of administration building表5 行政樓原位激勵輸入各樓層計算加速度有效值Tab.5 Field test root mean square value of accelerationwith in situ excitation of administration building

gal

從以上分析可看出，采用原位激勵可以得到較為準(zhǔn)確的計算結(jié)果，且計算原理明確。進(jìn)行局部范圍振動預(yù)測時，計算過程簡單，僅需輸入所關(guān)注區(qū)域投影范圍內(nèi)測點的實測時程進(jìn)行計算即可。在設(shè)計前期需要快速了解地鐵運(yùn)行對擬建建筑物特定區(qū)域的振動影響時，具有較好的可操作性。

3.2.3 多點激勵輸入計算分析

隨著與振源距離的加大，地鐵運(yùn)行所引起的場地振動強(qiáng)度迅速衰減，這就導(dǎo)致建筑物內(nèi)與振源不同距離的柱(墻)底部經(jīng)歷不同的運(yùn)動。因而，在考慮地鐵運(yùn)行對建筑物的影響時，為獲取更加精確的結(jié)果，有必要采用多點激勵的輸入方式。采用多點激勵計算時按大質(zhì)量法，采用Newmark直接積分法進(jìn)行動力時程分析。同時輸入結(jié)構(gòu)封頂時一層樓面A20、A35、A50以及A65測點所測得的加速度時程進(jìn)行計算。

采用多點激勵輸入的計算結(jié)果與實測結(jié)果對比如圖6所示。從圖中可看出，除個別測點外，多點激勵的計算結(jié)果與實測結(jié)果的吻合度較高，說明采用多點激勵的輸入方式可取得較精確的結(jié)果。同時，圖中各層均有個別測點計算結(jié)果與實測結(jié)果有一定的差異，這是因為實測時不同樓層測點所測得的是不同車次地鐵產(chǎn)生的振動響應(yīng)，從而導(dǎo)致實測結(jié)果存在不確定性。

對比三種不同的激勵輸入方式可看出：一致激勵輸入方式最為簡單，但計算結(jié)果誤差較大，僅適用于初步預(yù)估；對樓層局部位置進(jìn)行振動預(yù)測時，原位激勵輸入方式計算過程簡單，結(jié)果較為準(zhǔn)確，而需要了解整個建筑物的振動情況時，需要進(jìn)行多次計算，整個計算過程復(fù)雜；多點激勵輸入方式的計算過程較為復(fù)雜，但計算結(jié)果準(zhǔn)確，且可以一次得到整個建筑物的振動數(shù)據(jù)。

3.2.4 自由場地與結(jié)構(gòu)封頂后一層樓面實測時程分別作為輸入激勵的計算結(jié)果比較

為方便與實測結(jié)果進(jìn)行驗證，以上數(shù)值模擬采用了結(jié)構(gòu)封頂后的一層樓面實測時程作為輸入激勵。但如需進(jìn)行振動預(yù)測，施工前只能測得自由場地加速度時程。對于上部樓層，采用這兩種實測時程作為輸入激勵進(jìn)行計算是存在一定差異的。

圖6 行政樓實測結(jié)果與多點激勵輸入計算結(jié)果對比Fig.6 Comparison of test results and calculated results with multi-support excitation of administration building

圖7為分別采用這兩種實測時程作為輸入激勵計算時上部樓層振動響應(yīng)比較。從該圖可以看出，總體來看，采用自由場地實測時程作為輸入激勵計算的各層振動響應(yīng)要大于采用一層實測時程時的相應(yīng)計算結(jié)果。其中，A35測點結(jié)果差異最大，各層差值均達(dá)到2 dB以上。這主要是因為A35測點的兩種輸入激勵本身就有較大差異(見表2)。對于另外3個測點，兩種不同激勵下的計算結(jié)果振級差在1～2 dB。因而，從行政樓計算結(jié)果看，對于多層建筑的振動響應(yīng)預(yù)測，采用自由場地實測時程作為輸入激勵進(jìn)行計算時，可考慮將計算得到的振級修正-1～-2 dB。

圖7 行政樓采用自由場地與一層實測波作為輸入激勵時振級對比Fig.7 Comparison of calculated vibration level when free field and first floor wave used as input excitation of administration building

3.3 住院樓數(shù)值模擬分析

住院樓與行政樓有較大的差異。從結(jié)構(gòu)體系來說，住院樓是框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；從建筑高度來看，住院樓是高層建筑。另外，在平面尺度上，行政樓長度為45 m，而住院樓沿垂直地鐵隧道方向長度達(dá)到近120 m，因而其對于微振動的反應(yīng)特性與行政樓有很大的不同。

根據(jù)現(xiàn)場實測顯示，住院樓內(nèi)在距離地鐵隧道中心80 m處振動強(qiáng)度已很弱，接近背景振動。對于住院樓內(nèi)距離隧道中心大于80 m的區(qū)域，已沒有必要考慮地鐵運(yùn)行引起的振動響應(yīng)。因而對于這種尺度較大的建筑，采用一致激勵的輸入方式進(jìn)行計算已沒有實際意義。鑒于此，以下僅采用原位激勵以及多點激勵兩種輸入方式來分析住院樓的振動響應(yīng)。

3.3.1 原位激勵與多點激勵輸入的計算分析

采用原位激勵的輸入方式對住院樓進(jìn)行振動分析時，在模型底部分4次分別輸入結(jié)構(gòu)封頂后的一層樓面B20、B35、B50與B65測點實測加速度時程，每次取輸入測點所對應(yīng)的上部樓層測點的計算結(jié)果，并將4次計算結(jié)果進(jìn)行匯總后得到整個建筑物的振動響應(yīng)。

采用多點激勵的輸入方式計算時，同時輸入B20、B35、B50以及B65測點的實測時程進(jìn)行計算，計算時參數(shù)取值與行政樓相同。多點激勵的輸入范圍如圖8所示。

圖8 住院樓多點激勵的輸入范圍示意Fig.8 Layout of multi-support excitation input of inpatient building

將原位激勵與多點激勵的計算結(jié)果與實測結(jié)果進(jìn)行對比，如圖9所示。從圖中可看出：首先，原位激勵、多點激勵的計算結(jié)果與實測結(jié)果整體上較為吻合，變化趨勢也基本一致；其次，采用原位激勵與多點激勵兩種輸入方式的計算結(jié)果非常接近，采用多點激勵輸入方式的計算結(jié)果在大部分測點均比采用原位激勵計算時略大。

根據(jù)以上分析可知，采用原位激勵以及多點激勵的輸入方式進(jìn)行環(huán)境振動預(yù)測均可達(dá)到較為理想的結(jié)果，但兩種計算方法在輸入方式的難易程度以及適用工況上有一定的差異。在輸入方式上，采用原位激勵輸入時每次輸入一個測點的激勵進(jìn)行計算，但需分別對每個作為激勵的測點計算一次，并將每次計算結(jié)果匯總后才能獲取整個建筑物的振動響應(yīng)；采用多點激勵輸入時則需要將建筑物底部劃分為不同的激勵輸入范圍，對同一范圍的柱(墻)底部輸入同一激勵，全部激勵輸入后同時進(jìn)行計算，一次得到整個建筑的振動響應(yīng)。因而，如果僅需對建筑物的特定區(qū)域進(jìn)行振動預(yù)測，采用原位激勵進(jìn)行計算更為簡單快捷；如果需要得到建筑物整體振動響應(yīng)時，則采用多點激勵更為方便。

圖9 住院樓實測結(jié)果與原位激勵、多點激勵輸入計算結(jié)果對比Fig.9 Comparison of test results and calculated results with in situ excitation and multi-support excitation of inpatient building

3.3.2 自由場地與結(jié)構(gòu)封頂后一層樓面實測時程分別作為輸入激勵的計算結(jié)果比較

采用B20、B35、B50與B65測點在場地平整后自由場地的實測時程作為輸入激勵，獲得上部結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，并與采用結(jié)構(gòu)封頂后一層樓面實測時程作為輸入激勵的計算結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖10所示。從圖中可看出，對于四層B20、B35與B50測點，采用自由場地時程作為輸入激勵的計算結(jié)果比采用一層實測時程時大1～4 dB，而在B65測點結(jié)果較為接近；對于九層與十三層，50 m以內(nèi)測點自由場地結(jié)果仍大于一層樓面實測輸入時結(jié)果，但樓層越高，差值越小，九層差值在1～1.5 dB，而十三層差值僅為0～1 dB；B65測點在九層有一定的差異，十三層計算結(jié)果基本相同。因而，從住院樓計算結(jié)果看，采用自由場地的實測作為輸入激勵計算擬建高層建筑物的振動響應(yīng)時，在距離地鐵中心小于50 m的范圍，中低樓層(如8～9層及以下)可對計算結(jié)果進(jìn)行-1～-2dB的修正，而對于建筑其他部位，可不做調(diào)整。

圖10 住院樓采用自由場地與一層實測波作為輸入激勵時計算振級對比Fig.10 Comparison of calculated vibration level when free field and first floor wave used as input excitation of inpatient building

4 結(jié) 論

本文針對既有地鐵運(yùn)行區(qū)域新建建筑進(jìn)行了全過程實測，同時建立建筑物三維模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并將數(shù)值分析結(jié)果與實測結(jié)果進(jìn)行對比驗證，得到以下結(jié)論：

(1)采用數(shù)值模擬方法對地鐵運(yùn)行引起的建筑物振動進(jìn)行分析時，一致激勵輸入方式僅適用于建筑平面尺寸較小時，在方案設(shè)計階段做初步振動預(yù)測；原位激勵與多點激勵的輸入方式較一致激勵復(fù)雜，但計算結(jié)果準(zhǔn)確，適用于各個階段。

(2)需要獲取建筑物內(nèi)某特定區(qū)域的振動響應(yīng)時，采用原位激勵輸入方式計算過程簡單，結(jié)果較為準(zhǔn)確；需要得到建筑物完整的振動響應(yīng)時，則采用多點激勵輸入方式結(jié)果準(zhǔn)確，且操作上更為方便。

(3)采用自由場地實測時程作為輸入激勵進(jìn)行振動預(yù)測時，對于多層建筑(如行政樓)，可將上部樓層計算結(jié)果進(jìn)行修正，修正值取-1～-2 dB；對于高層建筑(如住院樓)，在距離地鐵50 m的范圍內(nèi)，對于中低區(qū)(8～9層及以下)可對計算結(jié)果進(jìn)行-1～-2 dB的修正。由于以上修正值僅為本案例的分析結(jié)果，該結(jié)論的普適性還需更多的實測案例進(jìn)行驗證。

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Wholeprocessfieldtestsandanumericalsimulationofnewbuildingsinmetrooperationarea

ZHONGCaimin1, 2,MARenle1,WUXueshu2

(1.DepartmentofBuildingEngineer,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 2.ChinaArchitectureDesignGroupShanghaiJohnsonArchitectural&EngineeringDesigningConsultantsCo.,Ltd.,Shanghai200120,China)

Based on a new building adjacent to metro line, whole process field tests were performed on free field before construction and floors of different construction phases. The finite models of the building were established and numerical calculations were carried out by adopting different excitation modes. The calculated results were compared with the field test results. In the process of analysis, the numerical analysis method of “in situ excitation” was put forward in view of the environmental vibration. The results show that the “uniform excitation” input is only suitable for the preliminary prediction of small size building; the results of “in-situ excitation” and “multi-support excitation” input are accurate and reliable which can be used to predict the demand of different design phases. Meanwhile, “in situ excitation” or “multi-support excitation” could be chosen according to different requirements. When the field test results of free field are used as excitation to predict vibration, the calculation results can be amended according to different building types.

metro vibration; numerical simulation; in situ excitation; multi-support excitation；vibration prediction

2016-10-08 修改稿收到日期： 2016-12-29

鐘才敏 男，博士生，高級工程師，1975年生

馬人樂 男，教授，博士生導(dǎo)師，1951年生

TU921; TB533.2

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.20.027