地铁引起建筑物振动评价研究

1地铁引起建筑物振动评价研究摘要因为不能直接量测地铁环境中拟建建筑物的振动,介绍基于理论计算分析对地铁运行引起建筑物振动的评价方法。由于地铁隧道底面振动记录资料缺乏,量测困难;列车-轨道-地基系统的模拟不尽完善。针对上海地铁隧道正上方某拟建建筑物的振动问题,建立上部结构的刚性地基有限元模型,输入场地实测地面振动加速度激励,计算结构振动在时域内的响应。利用傅里叶变换,对结构时域内的响应进行频域分析,根据国家标准对地铁引起建筑物的振动做出评价,从而为地铁环境中建筑物防振设计提供依据。关键词:地铁运行引起的振动,频域分析,振动加速度级,振动评价近年来,随着经济的快速发展,城市规模不断扩大,人们对生活质量的要求日益提高。作为缓解大城市交通压力重要手段之一的地铁,距建筑物越来越近,有的就在建筑物正下方运行。地铁运行引起的振动虽不致造成建筑物结构破坏,但可能造成装饰物开裂脱落;较大振动会影响人的生理2及生活[1];另外,势必影响精密仪器等对振动敏感设备的正常运行[2]。因此地铁振动对建筑物的影响引起人们越来越广泛的关注,也引起各国研究人员的高度重视[3,4]。2005年,中华人民共和国建设部制定并发布了国家标准《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》(以下简称标准)[5]。对于已建住宅建筑,根据现场实测资料,利用标准可方便地对建筑室内振动情况做出评价。而对于拟建建筑,无法进行现场量测。作者针对一拟建房屋,提出振动计算分析和评价方法。该方法主要基于理论计算分析,因而也可对房屋振动进行预测,为结构防、隔振设计等提供理论依据。1计算分析模型和输入激励以一幢位于上海市一地铁线正上方的建筑物为研究对象,该建筑物建筑面积为3670m2;7层框架结构;结构混凝土强度等级为C35。1·1计算分析模型建立包括隧道、地基土和上部结构等的整体模型来计算分析地铁运行环境中建筑物的振动,似乎符合工程实际。但由3于地铁运行引起轨道地基振动的资料较少,量测也不方便;目前已有的列车-轨道系统的动力分析模型也不尽合理;土-结构相互作用分析中存在许多不确定性[6],土的复杂特性和计算范围等的限制,计算分析时较难真实模拟地基土。目前,在计算分析地铁引起振动时,很少建立整体分析模型[7,8]。作者建立上部结构的刚性地基模型,利用现场量测的地面振动加速度作为输入激励,计算分析结构振动响应。取所述工程中与地铁行驶方向垂直轴线上的一榀典型框架,建立二维刚性地基模型,见图1。1·2输入激励作者会同有关人员量测了工程所在地地铁隧道正上方地面振动加速度时程。获得A测点的两组记录(记为A1、A2)和B测点的一组记录(记为B),其中每组记录包括x(垂直隧道轴线的水平方向)、y(竖向)和z(顺隧道轴线的水平方向)三个方向的时程。本研究按二维问题计算分析,因此选取x和y方向的振动记录作为结构振动分析的输入加速度时程,分别记为A1x(t)、A1y(t)、A2x(t)A2y(t)、Bx(t)和By(t),其中A1x(t)、A1y(t)的时程曲线和傅里叶幅值谱如图2~图5,因篇幅有限,数据和其他图形未列出。按不同地面振动加速度输入方式分6种工况分别计算分析地铁振动引起所述工程的动力反应,6种计算工况如表1所示,表中“+”号表示同时输入x、y两个方向的地面振动加速度。42垂向振动加速度级标准给出的计算垂向振动加速度级公式[5]为La=20lga/a0(3)式中La为垂向振动加速度级,单位为分贝(dB);a0为基准加速度值,a0=10-6m/s2;a为振动加速度有效值,单位为m/s2。为了求出垂向振动加速度级并能够和标准规定的1/3倍频程各频段对应的垂向振动加速度级限值比较,将第1部分模型和激励算得的结构在时域内的垂向振动加速度响应进行频谱分析,式中Ck表示复傅里叶系数;xm表示按第1部分模型和激励计算获得的结构垂向振动加速度时程响应;N表示xm的总个数。对第n个1/3倍频程频段内的复傅里叶系数Cn(j)进行离散Fourier逆变换,得到对应于第n个1/3倍频程频段内的加速度时程xn(k),3计算结果及分析3·1房屋自振特性5利用有限元方法计算分析所述平面框架的自振特性,表2列出前20阶自振频率,表中x表示沿框架平面的水平方向,y表示竖直方向。数据表明,结构的竖向振动频率非常密集,第20阶频率为19.45Hz,第40阶自振频率也只有22.65Hz(因篇幅有限,高阶的自振频率表2中未列出)。另一方面,地铁引起地面振动的频率多在35Hz以上,可见房屋自振频率要远低于地铁振动激振频率。3·2地铁振动引起建筑物振动特点1)加速度响应图6和图7分别给出工况A,即仅有竖向激励和工况B,即水平、竖向激励同时作用时,最右边跨跨中节点的水平和竖向峰值加速度响应沿楼层变化曲线。从图中可以看出,竖向振动引起结构水平向振动很小(最大仅为0.16gal),反之亦然,说明地铁引起房屋的振动以竖向振动为主;振动加速度响应沿房屋高度呈衰减趋势,但不明显。2)垂向振动加速度级图8绘出工况A情况下激励加速度级曲线、楼层最大振6动响应加速度级曲线和标准规定垂向振动加速度级限值曲线。其中,考虑到所述工程的特殊要求,振动加速度级限值取标准规定的最小限值。因篇幅有限,其他数据和曲线图未给出。由图8可以看出,在1Hz—40Hz的频率范围,垂向振动加速度级均低于规范标准值;40Hz—80Hz的高频范围,若干节点垂向振动加速度级超过标准限值,其中,1/3倍频程中心频率为63Hz时,第一层最右列梁柱交节点最大振动加速度级为89.85dB,超出标准4.75dB。说明地铁振动以高频振动为主。在20Hz—63Hz的频率范围,垂向振动加速度级按楼层自下而上呈衰减趋势,说明在20Hz—63Hz频段内,结构的阻尼对振动的影响较大,吸收了部分振动能量;在1/3倍频程中心频率为80Hz时,结构垂向响应振动加速度级比激励的振级大,说明阻尼对高频振动影响减小,且起不利作用。图8中,激励和结构响应加速度级曲线形状一致,且相差不多,表明结构振动主要为激励振动的直接传播,弹性振动响应较小。图9绘出了工况A情况下,1/3倍频程中心频率为40Hz时,垂向振动加速度级沿楼层衰减曲线。图9表明房屋的振动响应沿高度呈衰减趋势,其中4层以下衰减稍快,4层以上衰减不明显。7总之,地铁及房屋振动响应主要为高频振动,且结构弹性振动响应较小。因此,要减小地铁振动的影响,主要以高频防御为主,即减小振源的高频振动。4结论1)本文利用较易量测的地铁引起地面振动加速度时程作为结构计算模型的输入激励,应用有限元方法计算结构振动响应,避开利用“轨道路基—地基土”等模型计算时由模型本身带来的误差问题。2)本文计算表明,地铁及房屋振动主要为高频振动。本文分析的建筑位于地铁隧道正上方,受地铁振动影响较大,在40Hz以上频率范围,最大响应已超过国家标准。3)地铁引起房屋振动主要为激励振动的直接传播,弹性振动响应较小。房屋在较高频段的振动响应沿楼层由低向高呈衰减趋势。8参考文献[1]范蓉平,孟光,孙旭等.基于心理声学响度分析的高速列车车内噪声评价[J].振动与冲击,2005,24(5):46—52.[2]HungHsiao-Hu,iYangYeong-Bin.AReviewofResearchesonGround-BorneVibrationswithEmphasisonThoseInducedbyTrains[J].ProceedingoftheNationalScienceCounci,lROC(A).2001,25(1):1—16.[3]BalendraT,ChuaH,LoKW,eta.lSteady-StateVibrationofSubway-Soil-BuildingSystem[J].JournalofEngineeringMechanics,1989,115(1):145—162.[4]洪俊青,刘伟庆.地铁对周边建筑物振动影响分析[J].振动与冲击,2006,25(4):142—145.[5]住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准GB/T50355—2005[M].北京:中国建筑工业出版社,2005,9:1—3.9[6]林皋.土-结构动力相互作用[J].世界地震工程,1991,1(4):21—36.[7]LaiCarloG,CallerioAlberto,FaccioliEzio,eta.lPredictionofRailway-InducedGroundVibrationsinTunnels[J].Jour-nalofVibrationandAcoustics.2005,127:503—514.[8]周云,王伯生.行驶列车引起的周边建筑物振动分析[J].振动与冲击,2006,25(1):36—41.[9]混凝土结构设计规范GB50010—2002[M].北京:中国建筑工业出版社,2002,3:16—18.[10]王勖成.有限单元法[M].北京:清华大学出版社,2003,7:468—476.[11]AnilK.Choproa.DynamicsofStructures:TheoryandAppli-cationstoEarthquakeEngineering[M].北京:清华大学出版社,2005,5:174—184,457.[12]大崎川彦著,吕敏申,谢礼立译.地震动的谱分析入10门[M].北京:地震出版社,1980,3:76—87.