李 平 祝朋瑋 賴晨翔 陳 賡 王 威 馮青松

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,510010,廣州;2.華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心,330013,南昌∥第一作者,高級(jí)工程師)

目前,地鐵列車運(yùn)行引起的振動(dòng)及噪聲污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重[1-2]?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析及數(shù)值模擬等方法被廣泛用于地鐵列車振動(dòng)響應(yīng)方面的研究。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方面,文獻(xiàn)[3]對(duì)列車運(yùn)行影響下的地層及隧道振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試,得到列車振動(dòng)在空間域內(nèi)的傳播規(guī)律;文獻(xiàn)[4]使用高靈敏度振動(dòng)傳感器,開(kāi)展了地鐵環(huán)境振動(dòng)對(duì)建筑場(chǎng)地影響的實(shí)測(cè)調(diào)查。在理論分析方面,文獻(xiàn)[5]利用車-線-橋耦合振動(dòng)方法,對(duì)軌道梁動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[6]以Duhamel積分為基礎(chǔ),應(yīng)用動(dòng)力互等定理,得到軌道在移動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)解析解。在數(shù)值模擬方面,文獻(xiàn)[7]建立了隧道-土-建筑物的2.5維的有限元模型,研究地鐵列車運(yùn)行對(duì)鄰近建筑物的振動(dòng)響應(yīng);文獻(xiàn)[8]利用ANSYS軟件建立隧道-土層模型,從振動(dòng)加速度時(shí)域和頻域方面分析了地鐵列車運(yùn)行對(duì)建筑的振動(dòng)影響。

本文利用ANSYS/LS-DYNA軟件,建立了隧道-土層-建筑物振動(dòng)響應(yīng)分析模型,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上,分析建筑物與隧道中心距離、建筑高度、樁基埋深、結(jié)構(gòu)類型等因素變化對(duì)建筑物振動(dòng)的影響,并對(duì)建筑物兩側(cè)振動(dòng)響應(yīng)差異的影響因素開(kāi)展研究。

1 數(shù)值分析模型的建立及驗(yàn)證

1.1 模型建立

本文基于ANSYS/LS-DYNA通用軟件平臺(tái),建立了列車運(yùn)行下的隧道-土層-建筑物振動(dòng)響應(yīng)分析模型,該模型包含隧道-土層-建筑物有限元模型及車輛-軌道耦合垂向振動(dòng)模型兩部分。在計(jì)算時(shí),首先采用車輛-軌道耦合垂向振動(dòng)模型計(jì)算得到軌道的振動(dòng)響應(yīng),然后將其施加到隧道-土層-建筑物有限元模型上,分析列車運(yùn)行對(duì)建筑物振動(dòng)的影響。

1.2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的可靠性,本文以廣州地鐵某區(qū)間線路為例,對(duì)基于該區(qū)間建立的模型進(jìn)行仿真計(jì)算,并與該區(qū)間的地面振動(dòng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,其結(jié)果如圖1所示。由圖1 a)和圖1 b)可知:地面振動(dòng)加速度實(shí)測(cè)值與仿真計(jì)算得到的模擬值在加速度數(shù)量級(jí)上相同,曲線波形基本相似。由圖1 c)和圖1 d)可知:實(shí)測(cè)值和模擬值的振動(dòng)主頻均在50～100 Hz內(nèi),各頻段振幅與振型基本一致。驗(yàn)證結(jié)果表明:本文建立的模型可靠,可用于后續(xù)地鐵列車運(yùn)行對(duì)其周圍建筑物的振動(dòng)影響研究。

圖1 時(shí)域和頻域振動(dòng)加速度實(shí)測(cè)值和模擬值的對(duì)比

2 列車運(yùn)行對(duì)建筑物振動(dòng)影響分析

為研究地鐵列車運(yùn)行時(shí)不同因素對(duì)建筑物振動(dòng)的影響,本文采用控制變量法分析地鐵列車運(yùn)行情況下建筑物各樓層的最大Z振級(jí),以及振動(dòng)加速度頻譜隨建筑物與隧道中心的距離d、建筑高度H、樁基埋深h、結(jié)構(gòu)類型的變化規(guī)律。本文選用d=20 m、H=18 m(每層的層高3 m)、h=0的混凝土結(jié)構(gòu)作為研究的基準(zhǔn)建筑物,其計(jì)算分析示意圖如圖2所示,其中:Li、Mi及Ri分別為該建筑物第i層左側(cè)、中間及右側(cè)的振動(dòng)采集點(diǎn)。

圖2 計(jì)算分析示意圖

2.1 d對(duì)建筑物所受振動(dòng)的影響

為研究地鐵列車運(yùn)行時(shí)建筑物所受振動(dòng)與d的關(guān)系,分別選取d=10 m、d=20 m及d=40 m三種工況,得到不同d下列車運(yùn)行時(shí)建筑物各樓層樓板中間位置Mi處最大Z振級(jí)的計(jì)算結(jié)果如圖3所示,第一層樓板中間位置M1處振動(dòng)加速度頻譜的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖3 不同d下建筑物各樓層中間位置的最大Z振級(jí)

圖4 不同d下的建筑物第一層樓板中間位置的振動(dòng)加速度頻譜

由圖3可看出:建筑物各樓層中間位置的最大Z振級(jí)與d之間呈負(fù)相關(guān),d越小,最大Z振級(jí)變化越顯著。由圖4可看出:d逐漸增大時(shí),建筑物低頻部分的加速度峰值呈現(xiàn)出先慢后快的衰減趨勢(shì),而高頻部分(大于50 Hz)的加速度峰值呈現(xiàn)出先快后慢的衰減趨勢(shì)。

2.2 H對(duì)建筑物所受振動(dòng)的影響

為研究地鐵列車運(yùn)行時(shí)建筑物振動(dòng)響應(yīng)與H的關(guān)系,分別選取H=9 m、H=18 m及H=27 m三種工況,得到不同H下列車運(yùn)行時(shí)建筑物各樓層中間位置Mi處最大Z振級(jí)的計(jì)算結(jié)果如圖5所示,第一層樓板中間位置M1處振動(dòng)加速度頻譜的計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

由圖5可看出:H與其所受最大Z振級(jí)呈負(fù)相關(guān),H每增加9 m,各樓層中間位置的最大Z振級(jí)減小2～4 dB。由圖6可看出:隨著H的逐漸增大,建筑物低頻部分的振動(dòng)加速度峰值出現(xiàn)明顯衰減,H每增加9 m,振動(dòng)加速度約減小0.75×10-3m/s2;相比之下,高頻部分(大于50 Hz)的振動(dòng)加速度峰值變化較小。

2.3 h對(duì)建筑物所受振動(dòng)的影響

為研究地鐵列車運(yùn)行時(shí)建筑物振動(dòng)響應(yīng)與h的關(guān)系,分別選取h=0、h=5 m、h=10 m及h=20 m四種工況,得到不同h下列車運(yùn)行時(shí)建筑物各樓層中間位置Mi處最大Z振級(jí)的計(jì)算結(jié)果如圖7所示,第一層樓板中間位置M1處的振動(dòng)加速度頻譜的計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖7 不同h下建筑物各樓層樓板中間位置的最大Z振級(jí)

圖8 不同h下的建筑物第一層樓板中間位置的振動(dòng)加速度頻譜

由圖7可看出:當(dāng)h=0、h=5 m及h=10 m時(shí),由于建筑物的樁基底端尚未到達(dá)隧道埋置土層,此時(shí)建筑物的最大Z振級(jí)隨h的增加而減小;當(dāng)h=20 m時(shí),建筑物的樁基底端與隧道處于同一土層,振動(dòng)的大部分能量可直接通過(guò)樁基傳遞給建筑物,進(jìn)而導(dǎo)致建筑物的最大Z振級(jí)呈現(xiàn)不降反增的趨勢(shì)。

由圖8可看出:建筑物低頻部分的振動(dòng)加速度峰值在h=0及h=5 m下要明顯高于h=10 m及h=20 m下的振動(dòng)加速度峰值;而建筑物高頻部分(大于50 Hz)在h=0時(shí)的振動(dòng)加速度峰值明顯高于其余三種工況的振動(dòng)加速度峰值;當(dāng)h=20 m時(shí),由于建筑物的樁基底端與隧道處于同一土層,此時(shí)振動(dòng)加速度幅值整體較h=10 m時(shí)略有提升。

2.4 不同結(jié)構(gòu)類型對(duì)建筑物所受振動(dòng)的影響

為研究地鐵列車運(yùn)行時(shí)建筑物振動(dòng)響應(yīng)與結(jié)構(gòu)類型的關(guān)系,分別選取混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)及磚砌結(jié)構(gòu)三種結(jié)構(gòu)類型,得到不同結(jié)構(gòu)類型下列車運(yùn)行時(shí)建筑物各樓層中間位置Mi處最大Z振級(jí)的計(jì)算結(jié)果如圖9所示,第一層樓板中間位置M1處振動(dòng)加速度頻譜的計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖9 不同結(jié)構(gòu)類型下建筑物各樓層樓板中間位置的最大Z振級(jí)

圖10 不同結(jié)構(gòu)類型下建筑物第一層樓板中間位置的振動(dòng)加速度頻譜

由圖9可看出:在地鐵列車運(yùn)行下,不同結(jié)構(gòu)類型建筑物最大Z振級(jí)的大小關(guān)系為:磚砌結(jié)構(gòu)>混凝土結(jié)構(gòu)>鋼結(jié)構(gòu);與混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)相比,磚砌結(jié)構(gòu)下各樓層的最大Z振級(jí)隨樓層增加,其增幅更明顯。由圖10可看出:混凝土結(jié)構(gòu)及磚砌結(jié)構(gòu)下,建筑物低頻部分的振動(dòng)加速度峰值較為接近;而在建筑物的高頻部分(大于50 Hz),磚砌結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度峰值要明顯大于混凝土結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度峰值;與混凝土結(jié)構(gòu)和磚砌結(jié)構(gòu)相比,鋼結(jié)構(gòu)整體的振動(dòng)加速度峰值均較小。

3 建筑物兩側(cè)振動(dòng)差異的影響因素分析

受地鐵列車運(yùn)行的振動(dòng)影響,對(duì)同一個(gè)建筑物而言,靠近振源一側(cè)與遠(yuǎn)離振源一側(cè)所受的振動(dòng)影響是有差異的。為研究不同因素對(duì)于建筑物兩側(cè)振動(dòng)響應(yīng)差異性的影響情況,本節(jié)進(jìn)一步對(duì)比分析了H、h、d發(fā)生變化時(shí),建筑物靠近地鐵一側(cè)(L側(cè))和遠(yuǎn)離地鐵一側(cè)(R側(cè))的振動(dòng)響應(yīng)差異情況,分別計(jì)算不同H下、不同h下及不同d下建筑物兩側(cè)各樓層樓板中間位置的最大Z振級(jí),其結(jié)果如圖11—圖13所示。

圖12 不同h下建筑物兩側(cè)各樓層樓板中間位置的最大Z振級(jí)

圖13 不同d下建筑物兩側(cè)各樓層樓板中間位置的最大Z振級(jí)

由圖11—圖13可看出:隨著H的增加,建筑物兩側(cè)所受振動(dòng)影響的差值逐漸增大;隨著h的增加,建筑物兩側(cè)所受振動(dòng)影響的差值越來(lái)越小;隨著d的增加,建筑物兩側(cè)各樓層中間位置的最大Z振級(jí)差值變化不明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 地鐵列車運(yùn)行下建筑物各樓層的最大Z振級(jí),與d及H呈負(fù)相關(guān)。

2)h尚未到達(dá)隧道所在土層時(shí),h越大,其各樓層所受振動(dòng)影響的最大Z振級(jí)越小;當(dāng)h與隧道埋深處于同一土層時(shí),最大Z振級(jí)呈現(xiàn)不降反增的趨勢(shì)。

3) 不同結(jié)構(gòu)類型建筑物在地鐵列車運(yùn)行下的最大Z振級(jí)大小關(guān)系為:磚砌結(jié)構(gòu)>混凝土結(jié)構(gòu)>鋼結(jié)構(gòu)。

4) 地鐵列車運(yùn)行下建筑物兩側(cè)各樓層最大Z振級(jí)差值變化與H呈正相關(guān),與h呈負(fù)相關(guān),與d呈弱相關(guān)。