鐵路橋梁對鄰近建筑物振動的影響

鐵路橋梁對鄰近建筑物振動的影響

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展和交通需求的增加，鐵路運輸交通以其大規(guī)模的客運運輸、快速便性和低污染指數(shù)而言已越來越受到重視。但是,發(fā)展愈來愈快的鐵路交通系統(tǒng)在給社會帶來方便的同時,也對人們的生活、工作環(huán)境產(chǎn)生了不可忽視的振動污染,隨之而來的則是越來越多的由這種環(huán)境振動引起的抱怨和批評。國際上已把振動列為七大環(huán)境公害之一,據(jù)統(tǒng)計,除工廠、企業(yè)和建筑工程之外,交通系統(tǒng)引起的環(huán)境振動(主要是建筑物的振動)是公眾反映中最強烈的。這不僅是由于交通系統(tǒng)引起的環(huán)境振動日益增大,而且還因為隨著社會的進步,人們對現(xiàn)代生活質(zhì)量的要求也越來越高,即使對于同樣水平的振動,在過去可能不是問題,而現(xiàn)在卻越來越多地引起公眾的強烈反應(yīng)。所以,鐵路列車引起的環(huán)境振動問題作為一種新型的環(huán)境公害,也已經(jīng)成為一個愈來愈嚴(yán)重的社會問題。這些都對鐵路交通系統(tǒng)(包括城市地鐵、高架輕軌)引起的結(jié)構(gòu)振動及其對周圍環(huán)境及建筑物影響的研究提出了新的要求。為此,近年來國內(nèi)外學(xué)者進行了深入的研究,發(fā)表了一系列研究成果。本文通過兩次現(xiàn)場試驗研究列車對周圍環(huán)境及建筑物的振動影響,取得了很多有價值的實測數(shù)據(jù)。例如,測得了鐵路線附近地面及建筑物各層的振動加速度,證實了加速度反彈增大區(qū)的存在,得到了列車類型及列車速度的影響、振動隨距離的衰減等規(guī)律。這些試驗結(jié)果驗證了地面和建筑物的振動傳播規(guī)律的許多理論研究成果,同時也對鐵路交通系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的參考價值。1橋附近地面振動的現(xiàn)場測試1.1場地土及加速度試驗現(xiàn)場設(shè)在位于沈陽—哈爾濱鐵路線上的大清河橋。該橋全長750m,由22孔等跨簡支鋼梁組成。梁跨長33.6m,工字型鋼梁高2.61m,主梁中心距2.0m,腹板厚12mm,上下翼緣板厚度最小15mm,最大45mm,橫向和水平縱向連接系均由角鋼和槽鋼組成。橋墩為混凝土橋墩,高度6m～10m。圖1所示為大清河試驗現(xiàn)場。場地土為湖相沉積砂粘土和砂礫層,各層土的深度及其土質(zhì)特性參數(shù)見表1。試驗中,在橋梁墩頂設(shè)置水平加速度傳感器,在周圍場地設(shè)置豎直加速度傳感器。地面測點距離線路的垂直距離分別為0m、20m、40m、60m,如圖2所示。試驗荷載為1臺DF4機車+7節(jié)C62貨車組成的試驗列車。DF4機車軸重230kN,C62貨車滿載軸重210kN。試驗列車的速度為60km/h～80km/h。采用AKASHIV401BR型伺服位移傳感器測量梁體及地面的振動,其最小頻率為0.5Hz,最大量程為100mm,通過AKASHIAVL-25B型伺服放大器將信號放大,由MEGADAC5000數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和DADiSP動態(tài)數(shù)據(jù)分析軟件進行信號處理。試驗前,測試設(shè)備均由振動臺進行了系統(tǒng)標(biāo)定。當(dāng)試驗列車通過時,對墩頂以及地面不同距離處各測點的加速度進行測量。本試驗中共得到28組列車過橋的實測數(shù)據(jù),取每次實測加速度的最大值及各次最大值的平均值進行分析,列于表2。表中的加速度是以振級表示的,其換算公式為G=20lga+60(1)G=20lga+60(1)式中,G為振級,dB;a為實測加速度,cm/s2。1.2加速度時程曲線從表2中可以看出,墩頂?shù)淖畲髾M向振動加速度為98.6dB。圖3給出了列車速度為60km/h和80km/h時墩頂?shù)臋M向振動加速度時程曲線。加速度時程曲線清楚地表明,隨著列車速度增加,墩頂?shù)臋M向振動也隨之增大。當(dāng)列車速度提高20km/h時,振動加速度增加了7dB～8dB。1.3不同列車加速度隨橋墩距離的分布圖4為60km/h的列車速度下兩條典型的地面加速度反應(yīng)時程曲線,其測點位置至橋墩距離D分別為0m和40m。列車引起的振動從梁傳到橋墩,形成點振源,再通過基礎(chǔ)向外傳播。不同列車速度下地面振動加速度隨橋墩距離的分布見圖5。可以看出,地面加速度隨著距離的增加呈線性衰減(以dB計)。最大加速度為107.5dB,發(fā)生在橋墩腳處。對于不同的車速,從墩腳到距離60m處,加速度最大值降低了37dB～43dB。從表2中可以看出,加速度平均值隨振源距離的分布與最大值的分布具有相同的衰減趨勢。墩腳處最大平均值為103.1dB,在不同的試驗車速下,60m處比墩腳處降低了38dB～44dB。1.4列車加速度隨列車速度的變化為考察列車速度對地面振動加速度的影響,將不同距離處的振動加速度隨車速的變化繪于圖6。結(jié)果表明,當(dāng)列車速度在60km/h～80km/h范圍內(nèi)變化時,地面振動加速度具有隨列車速度的提高而增大的趨勢。當(dāng)列車速度超過65km/h時,距橋墩30m內(nèi)的地面振動強度均大于80dB。在不同測點,當(dāng)列車速度由60km/h提高到80km/h時,地面振動加速度增加了10dB～20dB,并且距離越近,差距越大,說明列車速度對近距離的地面振動影響較大。2列車對相鄰建筑物的振動影響試驗2.1場地土和測點布置試驗場地為沈陽—山海關(guān)鐵路線上靠近沈陽車站附近的一段。試驗現(xiàn)場有2座辦公樓房,距離鐵路線軌道非常近,見試驗現(xiàn)場照片圖7和測點布置示意圖8。從圖中可以看出,建筑物離軌道的最短距離只有12m,因此當(dāng)有列車通過時,尤其當(dāng)兩列列車同時運行時,樓內(nèi)工作人員可以明顯地感覺到建筑物的振動,同時,經(jīng)過現(xiàn)場檢測,建筑物的頂層已經(jīng)產(chǎn)生了裂紋。場地土為填土層和粉質(zhì)砂粘土,各土層深度的土質(zhì)特性參數(shù)見表3。兩座建筑物均為普通磚混結(jié)構(gòu),其自振頻率,經(jīng)測試為5.66Hz。在試驗場地上,沿著與鐵道線路垂直的方向布置了9個測點,每個測點都布置了水平和豎直方向的加速度傳感器,各測點距離軌道A的距離分別為0m、17m、35m和60m。在靠近鐵路線的二層樓房A內(nèi),在1層、2層以及樓頂分別放置了加速度傳感器,在稍遠一點的樓房B的一層及二層放置了加速度傳感器。測點布置詳見圖8。試驗荷載為正常條件下運行的列車,包括旅客列車和貨物列車,實測車速20km/h～80km/h。試驗中共測得30組數(shù)據(jù)。由于運營線路上的列車具有不同的編組、荷載和速度,所以分析中給出了每次列車通過時地面及建筑物樓層振動加速度的最大值、各次最大值的平均值和均方差等統(tǒng)計參數(shù)。2.2加速度振級分布靠近軌道處(D=0m)和距離軌道35m兩處地面實測振動加速度時程反應(yīng)曲線見圖9。從圖9容易看出,經(jīng)過35m距離,地面加速度振幅衰減很大。表4給出了實測地面振動加速度的統(tǒng)計值。從表中可以看出,靠近鐵路軌道處的最大地面加速度高達119dB,而且對應(yīng)的均方差值也相當(dāng)大;距離軌道35m處的最大振級為84.3dB,稍微高于17m處的最大振級值。圖10是實測各測點加速度振級的分布,圖11是各測次加速度振級及其均值隨線路距離的變化情況。盡管地形、地基條件等因素對振動的傳遞有影響,但基本的趨勢是地面振動強度隨著距鐵路軌道距離的增加而減小。值得注意的是,在距線路大約35m左右處,出現(xiàn)了振動強度反彈增大的現(xiàn)象。這種地面振動強度反彈增大產(chǎn)生的原因,可認(rèn)為是振動傳播過程中在地面與基巖之間的反射形成的,這與文獻的解釋是一致的。列車軸重對地面振動強度也有較大的影響,圖12所示為貨車和客車產(chǎn)生的地面加速度比較。通常貨車的軸重比客車大,也即施加在軌道上的荷載比較大,因而貨車引起鐵道附近地面振動強度就比軸重小的客車要大。從圖12可以看出,貨車引起的振動強度要比客車高出2dB～10dB,而且距鐵路的距離越近,兩類列車引起的振動強度差別也越大。2.3實測加速度時程表5所示為實測兩座建筑物各樓層處振動加速度的統(tǒng)計值。從表中結(jié)果可以看出,距鐵路軌道較近的A樓振動較大,其3層(實際上為屋頂)樓板的振級最大值高達89.31dB;而對于B樓,雖然其距軌道中心線的距離比A樓要遠18m,但其1、2樓層的振動均比A樓相應(yīng)高出5dB～6dB。圖13給出了A樓2層和3層樓面的實測加速度時程曲線。圖14是實測A樓各層樓面加速度振級的分布,圖15是各測次振動最大加速度及其平均值隨樓層的變化。綜合分析圖13～圖15可以看出,對于一定高度的多層建筑,變化的總趨勢為樓層越高,振動越強烈。這與文獻的分析結(jié)果相一致。本試驗中,A樓的頂層與底層樓面之間的振動強度差別達到15dB左右,B樓2層也較1層高出很多。3振動隨原始地位的變化(1)運行列車引起橋墩附近地面振動隨著列車速度的提高而增大。當(dāng)試驗列車速度從60km/h到80km/h變化時,橋墩處的地面最大振級達到87.5dB～107.5dB。(2)運行列車引起橋墩附近地面振動隨著距橋墩(點振源)距離的增加而迅速衰減。(3)在鐵路線附近,建筑物至鐵路的距離對列車引起建筑物振動有很大的影響。隨著距離的增加,地面振動和建筑物的振動都會衰減,但在距鐵路(線振源)某一距離處,會出現(xiàn)一個振動反彈增大區(qū)(本試驗中該距離為35m～45m)。(4)軸