地鐵列車振動(dòng)對(duì)鄰近建筑物的影響

1、1999年10月北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)Oct.1999地鐵列車振動(dòng)對(duì)鄰近建筑物的影響王逢朝夏禾張鴻儒(北方交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京100044)摘要采用車輛結(jié)構(gòu)土層建筑物的二維共同作用模型分析了地鐵列車振動(dòng)在地面的傳播特性,并計(jì)算了地面上不同位置、不同層數(shù)的建筑物的振動(dòng)響應(yīng)及隧道深度不同時(shí)地鐵列車振動(dòng)對(duì)鄰近建筑物的影響.關(guān)鍵詞地鐵列車振動(dòng)建筑物分類號(hào)U112ayTrainsonSurroundingBuildingsWangFengchaoXiaHeZhangHongru(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,NorthernJiaotongUniv

2、ersity,Beijing100044)AbstractByusing2-Ddynamicmodelanalysisoftrain2foundation2soil2structures,thepropagationlawsofvibrationinsoilandtheireffectsonsurroundingbuildingsofdif2ferentheightsatdifferentsitesarestudiedasundertheactionoftrainsintunnelsunder2groundatdifferentdepth.Keywordssubwaytrainvibratio

3、nbuilding隨著城市人口的增多,交通問(wèn)題日益突出,地下鐵道以其運(yùn)量大、速度快、安全可靠、運(yùn)行準(zhǔn)時(shí)等特點(diǎn),成為解決城市交通的重要手段,另一方面,地鐵運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)也是世界各國(guó)普遍存在的問(wèn)題1近年來(lái),已有一些單位開始研究振動(dòng)污染規(guī)律、振動(dòng)產(chǎn)生原因、傳播路徑與控制方法,并得出了一些有益的結(jié)論131本文主要分析計(jì)算地鐵列車對(duì)地面建筑物的振動(dòng)影響,為進(jìn)一步研究振動(dòng)環(huán)境控制問(wèn)題和城市規(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考.1計(jì)算模型1.1基本理論計(jì)算中采用二維平面有限元網(wǎng)絡(luò)模型,考慮到雙洞隧道的對(duì)稱性,取一半處理,其有限元網(wǎng)絡(luò)如圖1所示1為使因虛擬邊界產(chǎn)生反射波的影響減至最小,研究的地基范圍寬度取為距中心線L=480m

4、處、深度取至基巖H=60m,d為建筑物中線距線路中線的距離,h為隧道底部距地面的深度即隧道埋深.地基模擬為平面應(yīng)變四邊形單元,基底為固定約束,側(cè)邊界為本文收到日期1998204215王逢朝男1963年生福建三明大學(xué)講師199818199913北方交通大學(xué)訪問(wèn)學(xué)者北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)第23卷彈性約束,彈簧剛度為100kN/m,計(jì)算中假定材料始終保持彈性狀態(tài).土層參數(shù)及隧道結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)北京市的地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況由參考文獻(xiàn)4確定,見(jiàn)表1,取單位寬度計(jì)算,其瑞雷阻尼系數(shù)取=0104,=0101.計(jì)算中建筑物取六層平面框架,梁、板、柱均模擬為梁桿單元,柱距為6.3m、2.4m、6.3m,層高為3.6m,其余材料參

5、數(shù)見(jiàn)表1.梁的寬和高分別為20cm×60cm,柱的寬和高分別為50cm×50cm.表1土層和建筑物構(gòu)件參數(shù)分類人工填土礫基礎(chǔ),模筑鋼筋混凝土梁,柱厚度/m2632-彈模/kPa1.3×10556.0×105泊松比0.0.27密度/kNm-317.018.820.821.825.025.02.55×1070.202.95×1070.18圖1二維有限元計(jì)算模型圖2是利用列車軌道系統(tǒng)動(dòng)力分析模型在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬分析.得到的作用于道床底部的列車荷載激勵(lì)力曲線及其功率譜,它作為動(dòng)力荷載作用在隧道底部上.可以看出,列車動(dòng)荷載主要是由移動(dòng)列車在軌

6、道上的重力加載后形成,對(duì)一般的城市地鐵,車速低于100km/h時(shí),其主要頻率在10Hz以下.v=70km/h(a)荷載曲線(b)功率譜曲線圖2列車荷載曲線及功率譜1.2計(jì)算方法采用SuperSAP有限元分析程序中的直接積分法計(jì)算,為了保證計(jì)算精度,當(dāng)列車速度為70km/h時(shí),計(jì)算步長(zhǎng)取t=0.02s,共計(jì)算330步.由于SuperSAP程序只能給出系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的位移時(shí)間歷程曲線,因此尚需進(jìn)行微分處理,這里采用文獻(xiàn)5的數(shù)值微分方法計(jì)算,已知位移時(shí)間序列為S(n),時(shí)間間隔為t,按數(shù)值微分方法即可求出速度、加速度序列分別為v(n)、a(n),并畫出速度和加速度時(shí)間歷程曲線.第4期王逢朝等:地鐵列車振

7、動(dòng)對(duì)鄰近建筑物的影響1.3計(jì)算結(jié)果圖3是隧道深度(軌面至地面距離)為11.8m時(shí)地面位移、加速度最大值的變化曲線1從圖3中可看出,地鐵運(yùn)行所引起的地面振動(dòng)在離隧道中心60m以前以豎向?yàn)橹?60m以后兩者較為接近,其中水平振動(dòng)在隧道中心最小,在離中心20m處振動(dòng)幅度最大,其后逐漸衰減,在40、100m處有所反彈,豎向振動(dòng)在隧道中心最大,在60m之前衰減很快,在60m處也出現(xiàn)反彈,但幅值較小,其后衰減較慢1但總趨勢(shì)是隨距離的增加而逐漸衰減,位移、速度、加速度傳播的最大值在地面處的分布形式基本相同.(a)位移變化圖(b)加速度變化圖圖3地面位移、加速度變化圖圖4為建筑物位于隧道正上方、離隧道中心20

8、、60、90、120、200、300m等不同位置時(shí)各層最大加速度變化曲線1從圖4中可看出,建筑物的振動(dòng)隨高度增加幅度增大,在離中心線約20m處幅度最大,在60m以內(nèi)衰減較快,各層基本相同,在60m以后振動(dòng)幅度均很小.圖5為位于離中心線60m處建筑物層數(shù)圖4建筑物各層加速度變化圖不同時(shí)最大加速度變化曲線1從圖5中可看出,對(duì)于不同層數(shù)的建筑,其底層的水平振動(dòng)幅度基本接近于自由地面的振動(dòng)水平,上面各層(a)水平加速圖(b)暨向加速圖圖5層數(shù)不同時(shí)加速度變化圖北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)第23卷隨層數(shù)增多其振動(dòng)幅度逐漸增大,同一層數(shù)的水平振幅低層的要比高層的大,高層建筑層與層間的水平振動(dòng)幅度變化要比低層的小,且高

9、層建筑的水平振動(dòng)幅度在24層時(shí)出現(xiàn)略為減小的現(xiàn)象,豎向振動(dòng)較為接近,但仍以高層建筑的為小.為考察隧道深度變化對(duì)建筑物的影響,分別計(jì)算了隧道深度為7.8、11.8、15.8、19.8、2318m5種情況下座落于離中心線60m處建筑物各層的振動(dòng)情況,其結(jié)果如表2所示1從表2中可看出,無(wú)論是建筑物的水平振動(dòng)幅度還是豎向振動(dòng)幅度均隨隧道深度增大而逐漸減小,同時(shí)隧道深度對(duì)建筑物水平振動(dòng)的影響要比豎向振動(dòng)的大.表2建筑物各層加速度隧道深度/m層數(shù)水平一層二層三層六層52.060.357.811.815.819.823.8mms-2豎向103.5104.858106.8水平42.353.33200.0237

10、.5豎向100.3303103.0103.0水平33.850180.0210.038397.397.397.80085.5122.5157.5180.0豎向87.889.089.890.090.333.40.573.5103.8129.8150.0豎向079.079.579.880.080.32結(jié)論(1)地鐵運(yùn)行所引起的地面豎向振動(dòng)在隧道中心最大,其后隨距離的增加而逐漸衰減,在約60m處均有所反彈,但幅值較小.(2)地鐵運(yùn)行所引起的振動(dòng)對(duì)建筑物的影響與自由地面的趨勢(shì)基本相同,也是隨著距離的增大而減小1建筑物的層數(shù)不同,其振動(dòng)響應(yīng)也不相同,低層建筑影響大,高層建筑影響小.(3)隧道深度不同對(duì)建筑物的振動(dòng)影響也不相同,深度越淺,建筑物振動(dòng)越大,深度越深,建筑物振動(dòng)越小.參考文獻(xiàn)1XiaHe.StudyofVibrationEffectsofUndergroundTrainsUponSurroundingEnvionments.AdvancesinStructuralEngineer2ing.Beijing:ChinaRailwayPublicshingHouse,199511161222張彌,夏禾.輕軌列車和高架橋梁系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)分析.北方交通大學(xué)