地铁列车运行对建筑物振动影响的多因素研究

李 平 祝朋玮 赖晨翔 陈 赓 王 威 冯青松

(1.广州地铁设计研究院股份有限公司,510010,广州;2.华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心,330013,南昌∥第一作者,高级工程师)

目前,地铁列车运行引起的振动及噪声污染问题越来越严重[1-2]。现场实测、理论分析及数值模拟等方法被广泛用于地铁列车振动响应方面的研究。在现场实测方面,文献[3]对列车运行影响下的地层及隧道振动响应进行测试,得到列车振动在空间域内的传播规律;文献[4]使用高灵敏度振动传感器,开展了地铁环境振动对建筑场地影响的实测调查。在理论分析方面,文献[5]利用车-线-桥耦合振动方法,对轨道梁动力响应进行了研究;文献[6]以Duhamel积分为基础,应用动力互等定理,得到轨道在移动荷载作用下的动力响应解析解。在数值模拟方面,文献[7]建立了隧道-土-建筑物的2.5维的有限元模型,研究地铁列车运行对邻近建筑物的振动响应;文献[8]利用ANSYS软件建立隧道-土层模型,从振动加速度时域和频域方面分析了地铁列车运行对建筑的振动影响。

本文利用ANSYS/LS-DYNA软件,建立了隧道-土层-建筑物振动响应分析模型,并结合现场实测数据对模型的准确性进行验证。在此基础上,分析建筑物与隧道中心距离、建筑高度、桩基埋深、结构类型等因素变化对建筑物振动的影响,并对建筑物两侧振动响应差异的影响因素开展研究。

1 数值分析模型的建立及验证

1.1 模型建立

本文基于ANSYS/LS-DYNA通用软件平台,建立了列车运行下的隧道-土层-建筑物振动响应分析模型,该模型包含隧道-土层-建筑物有限元模型及车辆-轨道耦合垂向振动模型两部分。在计算时,首先采用车辆-轨道耦合垂向振动模型计算得到轨道的振动响应,然后将其施加到隧道-土层-建筑物有限元模型上,分析列车运行对建筑物振动的影响。

1.2 模型验证

为验证模型的可靠性,本文以广州地铁某区间线路为例,对基于该区间建立的模型进行仿真计算,并与该区间的地面振动实测值进行对比,其结果如图1所示。由图1 a)和图1 b)可知:地面振动加速度实测值与仿真计算得到的模拟值在加速度数量级上相同,曲线波形基本相似。由图1 c)和图1 d)可知:实测值和模拟值的振动主频均在50～100 Hz内,各频段振幅与振型基本一致。验证结果表明:本文建立的模型可靠,可用于后续地铁列车运行对其周围建筑物的振动影响研究。

图1 时域和频域振动加速度实测值和模拟值的对比

2 列车运行对建筑物振动影响分析

为研究地铁列车运行时不同因素对建筑物振动的影响,本文采用控制变量法分析地铁列车运行情况下建筑物各楼层的最大Z振级,以及振动加速度频谱随建筑物与隧道中心的距离d、建筑高度H、桩基埋深h、结构类型的变化规律。本文选用d=20 m、H=18 m(每层的层高3 m)、h=0的混凝土结构作为研究的基准建筑物,其计算分析示意图如图2所示,其中:Li、Mi及Ri分别为该建筑物第i层左侧、中间及右侧的振动采集点。

图2 计算分析示意图

2.1 d对建筑物所受振动的影响

为研究地铁列车运行时建筑物所受振动与d的关系,分别选取d=10 m、d=20 m及d=40 m三种工况,得到不同d下列车运行时建筑物各楼层楼板中间位置Mi处最大Z振级的计算结果如图3所示,第一层楼板中间位置M1处振动加速度频谱的计算结果如图4所示。

图3 不同d下建筑物各楼层中间位置的最大Z振级

图4 不同d下的建筑物第一层楼板中间位置的振动加速度频谱

由图3可看出:建筑物各楼层中间位置的最大Z振级与d之间呈负相关,d越小,最大Z振级变化越显著。由图4可看出:d逐渐增大时,建筑物低频部分的加速度峰值呈现出先慢后快的衰减趋势,而高频部分(大于50 Hz)的加速度峰值呈现出先快后慢的衰减趋势。

2.2 H对建筑物所受振动的影响

为研究地铁列车运行时建筑物振动响应与H的关系,分别选取H=9 m、H=18 m及H=27 m三种工况,得到不同H下列车运行时建筑物各楼层中间位置Mi处最大Z振级的计算结果如图5所示,第一层楼板中间位置M1处振动加速度频谱的计算结果如图6所示。

由图5可看出:H与其所受最大Z振级呈负相关,H每增加9 m,各楼层中间位置的最大Z振级减小2～4 dB。由图6可看出:随着H的逐渐增大,建筑物低频部分的振动加速度峰值出现明显衰减,H每增加9 m,振动加速度约减小0.75×10-3m/s2;相比之下,高频部分(大于50 Hz)的振动加速度峰值变化较小。

2.3 h对建筑物所受振动的影响

为研究地铁列车运行时建筑物振动响应与h的关系,分别选取h=0、h=5 m、h=10 m及h=20 m四种工况,得到不同h下列车运行时建筑物各楼层中间位置Mi处最大Z振级的计算结果如图7所示,第一层楼板中间位置M1处的振动加速度频谱的计算结果如图8所示。

图7 不同h下建筑物各楼层楼板中间位置的最大Z振级

图8 不同h下的建筑物第一层楼板中间位置的振动加速度频谱

由图7可看出:当h=0、h=5 m及h=10 m时,由于建筑物的桩基底端尚未到达隧道埋置土层,此时建筑物的最大Z振级随h的增加而减小;当h=20 m时,建筑物的桩基底端与隧道处于同一土层,振动的大部分能量可直接通过桩基传递给建筑物,进而导致建筑物的最大Z振级呈现不降反增的趋势。

由图8可看出:建筑物低频部分的振动加速度峰值在h=0及h=5 m下要明显高于h=10 m及h=20 m下的振动加速度峰值;而建筑物高频部分(大于50 Hz)在h=0时的振动加速度峰值明显高于其余三种工况的振动加速度峰值;当h=20 m时,由于建筑物的桩基底端与隧道处于同一土层,此时振动加速度幅值整体较h=10 m时略有提升。

2.4 不同结构类型对建筑物所受振动的影响

为研究地铁列车运行时建筑物振动响应与结构类型的关系,分别选取混凝土结构、钢结构及砖砌结构三种结构类型,得到不同结构类型下列车运行时建筑物各楼层中间位置Mi处最大Z振级的计算结果如图9所示,第一层楼板中间位置M1处振动加速度频谱的计算结果如图10所示。

图9 不同结构类型下建筑物各楼层楼板中间位置的最大Z振级

图10 不同结构类型下建筑物第一层楼板中间位置的振动加速度频谱

由图9可看出:在地铁列车运行下,不同结构类型建筑物最大Z振级的大小关系为:砖砌结构>混凝土结构>钢结构;与混凝土结构和钢结构相比,砖砌结构下各楼层的最大Z振级随楼层增加,其增幅更明显。由图10可看出:混凝土结构及砖砌结构下,建筑物低频部分的振动加速度峰值较为接近;而在建筑物的高频部分(大于50 Hz),砖砌结构的振动加速度峰值要明显大于混凝土结构的振动加速度峰值;与混凝土结构和砖砌结构相比,钢结构整体的振动加速度峰值均较小。

3 建筑物两侧振动差异的影响因素分析

受地铁列车运行的振动影响,对同一个建筑物而言,靠近振源一侧与远离振源一侧所受的振动影响是有差异的。为研究不同因素对于建筑物两侧振动响应差异性的影响情况,本节进一步对比分析了H、h、d发生变化时,建筑物靠近地铁一侧(L侧)和远离地铁一侧(R侧)的振动响应差异情况,分别计算不同H下、不同h下及不同d下建筑物两侧各楼层楼板中间位置的最大Z振级,其结果如图11—图13所示。

图12 不同h下建筑物两侧各楼层楼板中间位置的最大Z振级

图13 不同d下建筑物两侧各楼层楼板中间位置的最大Z振级

由图11—图13可看出:随着H的增加,建筑物两侧所受振动影响的差值逐渐增大;随着h的增加,建筑物两侧所受振动影响的差值越来越小;随着d的增加,建筑物两侧各楼层中间位置的最大Z振级差值变化不明显。

4 结语

1) 地铁列车运行下建筑物各楼层的最大Z振级,与d及H呈负相关。

2)h尚未到达隧道所在土层时,h越大,其各楼层所受振动影响的最大Z振级越小;当h与隧道埋深处于同一土层时,最大Z振级呈现不降反增的趋势。

3) 不同结构类型建筑物在地铁列车运行下的最大Z振级大小关系为:砖砌结构>混凝土结构>钢结构。

4) 地铁列车运行下建筑物两侧各楼层最大Z振级差值变化与H呈正相关,与h呈负相关,与d呈弱相关。