金 嶠,吳夢嬌,孫 麗

(沈陽建筑大學土木工程學院,遼寧 沈陽 110168)

隨著現(xiàn)代化建設不斷深入,地鐵在帶動城市經濟發(fā)展、改善城市居民生活質量、增大城市發(fā)展?jié)摿σ约巴苿勇糜萎a業(yè)升級等方面具有特殊的地位和作用。但另一方面,地鐵運行時列車的振動也容易引發(fā)鄰近建筑物振動適用性問題,對建筑內人員或儀器產生振動干擾。因此,由地鐵運行誘發(fā)的環(huán)境振動問題逐漸引起了人們的重視,減隔振技術已成為解決此類問題的重要研究方向之一。

針對地鐵列車誘發(fā)建筑結構的振動機理及傳播規(guī)律問題,基本的振動傳遞軌徑也已清晰[1],但由于振動傳播介質的類型迥異且物理性質復雜,整體研究工作所面臨的困難仍較多。目前,關于振動的產生機理問題,國內外學者[2-3]普遍認為,列車振動荷載主要與磨損造成的軌道不平順、鋼軌表面不平順有關。

近年來,減隔振技術在地鐵車致環(huán)境振動領域的研究和應用日益繁盛。通過對地鐵振動源的產生、沿土層傳播以及對建筑物產生干擾這一振動傳播鏈條的系列化監(jiān)測、模擬和分析,減隔振技術可以從振動源、傳播途徑、受振結構三個切入點采取靈活多樣的制振、抑振措施。在振源減振方面的主要措施[4-5]:在軌道結構、鋼軌表面平順度、車輪外形、車輪材料等方面改進生產安裝工藝;將普通軌道結構改成加裝了彈簧支座的浮置板軌道結構。對受振結構所采取的減隔振措施[6-7]:對整體建筑結構采用基礎隔振支座;對局部建筑結構采用浮筑樓板、房中房等技術;對精密儀器設置空氣彈簧隔振臺等措施。

基于地鐵車致環(huán)境振動的振動傳播特點,針對傳播途徑的土體振動阻隔技術是較為經濟實用的方法,可以規(guī)避振源減振和受振結構減隔振所衍生出的各種實際問題。L.Andersen[8]在空溝基礎上,得出在其邊界設置板樁可以提高隔振效果。屈陽等[9]以合肥地鐵沿線實驗室為背景,研究了隔振墻、隔振樁、隔振溝三種措施的隔振效果,研究表明,隔振墻效果不如隔振溝,但優(yōu)于隔振樁,且隔振墻要受位置、深度、寬度等因素的影響。栗潤德等[10]在研究隔振墻的填充材料時發(fā)現(xiàn):填充材料的動力性能顯著影響隔振效果;柔性材料隔離高頻更有效,剛性材料隔離低頻更有效。

隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展,我國每年產生的廢舊輪胎以8%～10%的速度急劇增加,已成為一種新型污染,而各種以廢舊輪胎為基材的技術革新[11-13]也已進入科研探索和工程實踐之中?；诖?筆者將廢舊輪胎隔振墻引入地鐵車致環(huán)境振動的研究領域,以ABAQUS有限元軟件為分析平臺,建立“土體-隧道-隔振墻”模型,研究隔振墻空間位置、幾何尺寸、組成材質在不同場地土條件下對隔振效果的影響,以期為地鐵沿線建筑結構環(huán)境振害防治問題提供一種可行的方案。

1 有限元模擬方法

1.1 “土體-隧道-隔振墻”模型

1.1.1 模型尺寸

“土體-隧道-隔振墻”模型采用C3D8R單元類型,共48 000個單元,模型整體長×寬×高為200 m×200 m×60 m,隧道的內襯為0.3 m,隧道直徑為6 m,隧道埋深為8 m;隔振墻沿平行于地鐵隧道軸向的一側布置,長度為L0,其與隧道軌道中心的地表投影線之間的水平距離為s,整體模型在該方向上的總長度為L,具體位置關系參見圖1所示。在隔振墻長度中心點的橫向垂直斷面上,沿地表由近及遠地設置11個拾振點(點號從0#～10#),其振動響應被用以考察隔振墻的隔振效果。其中,0#～5#點的水平間隔距離為2 m,5#～7#點的水平間隔距離為5 m,7#～10#點的水平間隔距離為10 m,詳見圖2所示。

圖2 拾振點位置圖Fig.2 The location of detection points

廢舊輪胎隔振墻采用砂礫石或泡沫塑料填充輪胎的垂直排列形式(見圖3),墻深設為h,墻厚設為d。材料參數(shù)源自文獻[14],具體見表1。

表1 隔振墻參數(shù)Table 1 The parameters of vibration isolation wall

圖3 廢棄橡膠輪胎隔振墻模型構造圖Fig.3 Model diagram of the vibration isolation wall

1.1.2 場地參數(shù)

鑒于實際的場地土土體組成成分復雜,土層厚度及層數(shù)也因時因地而異,為了便于分析,筆者將實際土層結構簡化為四層,并將各層土的厚度固定。根據《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011—2010)的場地土類別的確定方法,共設計了4種場地土土層參數(shù),分別對應于I類硬土、II類中硬土、III類中軟土和Ⅵ類軟土等場地類別,具體參數(shù)情況見表2。

表2 土層參數(shù)Table 2 The parameters of soil layer

1.1.3 阻尼計算

對于文中I類(硬土)、II類(中硬土)、III類(中軟土)及Ⅵ類(軟土)場地類別,阻尼比ζ分別取經驗值0.03、0.05、0.07、0.08[15]。這樣通過設定滿足阻尼比的兩個頻率值(α,β),可算出與四種場地相對應的α、β值,進而得到其瑞利阻尼。

1.1.4 邊界條件

模型兩側設置無限邊界如圖4所示。通過采用ABAQUS軟件中內置的無限單元(單元類型:CIN3D8,單元數(shù)目:5440),筆者對于所關注振動方向直接相關的土體模型側面及底面設置了無限元人工邊界,以規(guī)避邊界波反射對振動結果的影響。

圖4 模型兩側設置無限邊界Fig.4 The unlimited boundaries on sides of the model

1.2 地鐵列車振動荷載的模擬

選取北京地鐵四號線地鐵列車,型號是SFM05,標準B型車,共6節(jié)編組車廂,每單節(jié)車廂由2個轉向架、4組輪對組成。列車參數(shù):單節(jié)車輛長19.52 m,車廂寬3 m,轉向架中心距15 m,轉向架質量3 600 kg,輪對質量1 700 kg,機車軸重Pc為162 kN,固定軸距為2.3 m,車廂軸重為120 kN,列車簧下質量390 kg,額定電壓DC 1 500 V。

根據文獻[16-17]的研究,列車的激勵荷載可以用簡諧激振函數(shù)來表示:

P(t)=k1k2(P0+P1sinω1t+P2sinω2t+P3sinω3t)

(1)

借鑒國外高速鐵路軌道不平順的管理標準[18],同時考慮到我國城市軌道交通的短波不平順性較差[19]的實際情況,筆者采用以下三組軌道波長與矢高組合:①λ1=10 m,α1=5.0 mm;②λ2=1.0 m,α2=0.5 mm;③λ3=0.2 m,α3=0.1 mm。設定地鐵列車車速為80 km/h,則由式(1)得到地鐵列車振動荷載的時程曲線如圖5所示。

圖5 地鐵振動荷載時程曲線Fig.5 The time history curve of subway vibration

在所建立的“土體-隧道-隔振墻”有限元模型中,通過Fortran語言編程,利用VDLOAD子程序在指定隧道路徑的相應單元上實現(xiàn)列車振動荷載的定速移動,從而模擬列車振動荷載的施加。

2 隔振墻減振評價指標

在所建立的“土體-隧道-隔振墻”模型中,根據在地鐵車致環(huán)境振動激勵下已設定11個地表拾振點的振動響應,能夠對隔振墻的環(huán)境振動抑振能力和制振效果進行分析和評估。筆者主要采用插入損失為環(huán)境振動評價指標:

插入損失[20]是常用的評價減振效果的物理量:

(2)

式中:L為插入損失,dB;VALi為振動加速度級,dB,i=1,2;a1,rms為未采用減隔振措施時的均方根振動響應,m/s2;a2,rms為采用減隔振措施時的均方根振動響應,m/s2;a0為基準加速度,一般取1.0×10-6m/s2。

插入損失可等效為采用減隔振措施前后的振動加速度級之差。若插入損失為正,則表示系統(tǒng)隔隔振措施有效;若插入損失為負,則表示系統(tǒng)隔振措施無效。

3 隔振墻參數(shù)對減振性能的影響

筆者主要從4個參數(shù)變化來探討其對隔振墻減振性能的影響:①隔振墻自身幾何尺寸(墻深h、墻厚d及墻長L0,見圖1和圖3);②隔振墻位置s(這里指隔振墻與隧道軌道中心的地表投影線之間的水平距離,見圖1);③隔振墻設置排數(shù);④隔振墻填充物性質。

采用插入損失為評價指標對隔振墻的隔振效果進行評價,為方便分析,當研究某單一參量的影響時,其他參量取值情況:土為II類場地,隔振墻的墻深、墻厚、墻長分別為16 m、1 m、200 m,隔振墻位置s=10 m,隔振墻設置一排,隔振墻填充物為剛性材料(砂礫石)。

3.1 隔振墻墻深的影響

設計4種隔振墻的墻深h分別為8 m、12 m、16 m和20 m,其他參量按默認值取值。圖6為地鐵列車振動荷載作用下,各拾振點水平向、豎向的插入損失(橫坐標為各拾振點與隔振墻之間的水平距離)。

圖6 不同墻深下的插入損失Fig.6 The insertion loss with different wall depths

由圖6可知,隔振墻墻深的增加,能夠提高隔振墻對地鐵車致環(huán)境振動的阻隔作用;隔振墻墻深從8 m增加到20 m,水平插入損失極值由1.80 dB提高到3.00 dB,豎向插入損失極值由2.50 dB提高到5.80 dB;在隔振墻后0～4 m區(qū)域,存在一個振動擾動區(qū),使得該區(qū)域內的插入損失指標有一個突變式的減小;隔振墻墻深達到或超過隧道埋深時,墻深的增加對隔振效果的提升作用更為顯著。

3.2 隔振墻墻厚的影響

設計4種隔振墻,墻厚d分別為1 m、1.5 m、2 m和2.5 m,其他參量按默認值取值。圖7為各拾振點水平向、豎向的插入損失情況。

圖7 不同墻厚下的插入損失Fig.7 The insertion loss with different wall thicknesses

由圖7可知,隔振墻厚度從1 m增加到2.5 m,水平插入損失極值由1.80 dB提高到3.48 dB,豎向插入損失極值由4.54 dB提高到5.81 dB;隔振墻的厚度變化會對振動的傳遞產生有益影響,但效率相差不多。

3.3 隔振墻長度的影響

設計4種隔振墻長度L0分別為50 m,100 m,150 m,200 m,其他參量按默認值取值。圖8別為各拾振點水平向、豎向的插入損失情況。

圖8 不同墻長下的插入損失Fig.8 The insertion loss with different wall lengths

由圖8可知,隔振墻長度從50 m增加到200 m,水平插入損失極值由1.50 dB提高到2.34 dB,豎向插入損失極值由3.57 dB提高到4.31 dB;當隔振墻長度取100 m及以上時(即為隔振墻位置s的10倍以上),隔振效果能夠提升到一個較高的水平,可以認為100 m或10倍隔振墻位置是隔振墻長度的門檻值。

3.4 隔振墻位置的影響

設計4種隔振墻位置s分別為5 m、10 m、15 m和20 m,其他參量按默認值取值。圖9為各拾振點水平向、豎向的插入損失情況。

圖9 不同位置下的插入損失Fig.9 The insertion loss at different positions

由圖9可知,隔振墻位置從5 m增加到20 m,水平插入損失極值由1.98 dB提高到3.63 dB,豎向插入損失極值由1.95 dB提高到4.18 dB;隔振墻的最佳設置位置為與隧道軌道中心的水平距離在10～15 m內,為隧道埋深的1.25～1.875倍。

3.5 隔振墻排數(shù)的影響

設計四種隔振墻排數(shù)分別為1排、2排、3排,間隔5m,其他參量按默認值取值。圖10為各拾振點水平向、豎向的插入損失情況。

圖10 不同排數(shù)下的插入損失Fig.10 The insertion loss with different rows

由圖10可知,隔振墻位置從1排增加到3排,水平插入損失極值由3.60 dB提高到6.46 dB,豎向插入損失極值由4.50 dB提高到9.12 dB;在土體中設置多排的廢棄輪胎隔振墻,隔振效果較為明顯,隔振效率較高。

3.6 隔振墻填充物性質的影響

設計隔振墻的填充材料分別為剛性材料(砂礫石)和柔性材料(泡沫塑料)等兩種,并考慮4類場地土條件,隔振墻的填充材料為剛性材料(砂礫石)、柔性材料(泡沫塑料),其他參量按默認值取值。圖11、圖12分別為當隔振墻采用剛性、柔性填充材料時,各拾振點在不同場地土條件下水平向、豎向的插入損失情況。

圖11 插入損失(剛性填充材料)Fig.11 The insertion loss( rigid filling materials)

圖12 插入損失(柔性填充材料)Fig.12 The insertion loss( flexible filling materials)

由圖11、圖12可知,在Ⅲ類中軟土和Ⅵ類軟土場地條件下,由剛性填充材料組成的隔振墻對水平向振動和豎向振動的阻隔效果均較好,其水平向、豎向插入損失極值分別達到3.33 dB和4.87 dB。對于由柔性填充材料組成的隔振墻而言,其對水平振動的抑制作用在Ⅰ類硬土場地條件下更為顯著,最大插入損失極值為3.27 dB;而對于豎向振動的抑制作用,則在Ⅰ類硬土和Ⅱ類中硬土場地條件下均更為有效,最大插入損失極值為4.10 dB。由剛性填充材料組成的隔振墻更適合應用在軟土場地中,由柔性填充材料組成的隔振墻更適合用在硬土場地中。

4 結 論

(1)隔振墻自身維度對其隔振效果有較大影響,其基本設計原則:墻深應達到或超過隧道埋深;墻厚不必過高考慮,以1 m或1倍輪胎直徑為度;墻長應大于等100 m(或10倍隔振墻與振源間距)。

(2)隔振墻的設置位置應考慮地鐵隧道埋深,建議與隧道軌道中心的水平距離在10～15 m,或為隧道埋深的1.25～1.875倍。

(3)隔振墻的設置排數(shù)對土層中的振動衰減作用較大,建議設置2～3排。

(4)隔振墻內填充材料的選擇應考慮場地土類型,硬土或中硬土場地要選擇柔性填充,而軟土或中軟土場地則選擇剛性填充。