地铁列车振动对邻近建筑物的影响

1、1999年10月北方交通大学学报Oct.1999地铁列车振动对邻近建筑物的影响王逢朝夏禾张鸿儒(北方交通大学土木建筑工程学院,北京100044)摘要采用车辆结构土层建筑物的二维共同作用模型分析了地铁列车振动在地面的传播特性,并计算了地面上不同位置、不同层数的建筑物的振动响应及隧道深度不同时地铁列车振动对邻近建筑物的影响.关键词地铁列车振动建筑物分类号U112ayTrainsonSurroundingBuildingsWangFengchaoXiaHeZhangHongru(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,NorthernJiaotongUniv

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

3、nbuilding随着城市人口的增多,交通问题日益突出,地下铁道以其运量大、速度快、安全可靠、运行准时等特点,成为解决城市交通的重要手段,另一方面,地铁运行时产生的振动也是世界各国普遍存在的问题1近年来,已有一些单位开始研究振动污染规律、振动产生原因、传播路径与控制方法,并得出了一些有益的结论131本文主要分析计算地铁列车对地面建筑物的振动影响,为进一步研究振动环境控制问题和城市规划设计提供参考.1计算模型1.1基本理论计算中采用二维平面有限元网络模型,考虑到双洞隧道的对称性,取一半处理,其有限元网络如图1所示1为使因虚拟边界产生反射波的影响减至最小,研究的地基范围宽度取为距中心线L=480m

4、处、深度取至基岩H=60m,d为建筑物中线距线路中线的距离,h为隧道底部距地面的深度即隧道埋深.地基模拟为平面应变四边形单元,基底为固定约束,侧边界为本文收到日期1998204215王逢朝男1963年生福建三明大学讲师199818199913北方交通大学访问学者北方交通大学学报第23卷弹性约束,弹簧刚度为100kN/m,计算中假定材料始终保持弹性状态.土层参数及隧道结构尺寸根据北京市的地质结构情况由参考文献4确定,见表1,取单位宽度计算,其瑞雷阻尼系数取=0104,=0101.计算中建筑物取六层平面框架,梁、板、柱均模拟为梁杆单元,柱距为6.3m、2.4m、6.3m,层高为3.6m,其余材料参

5、数见表1.梁的宽和高分别为20cm×60cm,柱的宽和高分别为50cm×50cm.表1土层和建筑物构件参数分类人工填土砾基础,模筑钢筋混凝土梁,柱厚度/m2632-弹模/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图1二维有限元计算模型图2是利用列车轨道系统动力分析模型在计算机上进行模拟分析.得到的作用于道床底部的列车荷载激励力曲线及其功率谱,它作为动力荷载作用在隧道底部上.可以看出,列车动荷载主要是由移动列车在轨

6、道上的重力加载后形成,对一般的城市地铁,车速低于100km/h时,其主要频率在10Hz以下.v=70km/h(a)荷载曲线(b)功率谱曲线图2列车荷载曲线及功率谱1.2计算方法采用SuperSAP有限元分析程序中的直接积分法计算,为了保证计算精度,当列车速度为70km/h时,计算步长取t=0.02s,共计算330步.由于SuperSAP程序只能给出系统各节点的位移时间历程曲线,因此尚需进行微分处理,这里采用文献5的数值微分方法计算,已知位移时间序列为S(n),时间间隔为t,按数值微分方法即可求出速度、加速度序列分别为v(n)、a(n),并画出速度和加速度时间历程曲线.第4期王逢朝等:地铁列车振

7、动对邻近建筑物的影响1.3计算结果图3是隧道深度(轨面至地面距离)为11.8m时地面位移、加速度最大值的变化曲线1从图3中可看出,地铁运行所引起的地面振动在离隧道中心60m以前以竖向为主,60m以后两者较为接近,其中水平振动在隧道中心最小,在离中心20m处振动幅度最大,其后逐渐衰减,在40、100m处有所反弹,竖向振动在隧道中心最大,在60m之前衰减很快,在60m处也出现反弹,但幅值较小,其后衰减较慢1但总趋势是随距离的增加而逐渐衰减,位移、速度、加速度传播的最大值在地面处的分布形式基本相同.(a)位移变化图(b)加速度变化图图3地面位移、加速度变化图图4为建筑物位于隧道正上方、离隧道中心20

8、、60、90、120、200、300m等不同位置时各层最大加速度变化曲线1从图4中可看出,建筑物的振动随高度增加幅度增大,在离中心线约20m处幅度最大,在60m以内衰减较快,各层基本相同,在60m以后振动幅度均很小.图5为位于离中心线60m处建筑物层数图4建筑物各层加速度变化图不同时最大加速度变化曲线1从图5中可看出,对于不同层数的建筑,其底层的水平振动幅度基本接近于自由地面的振动水平,上面各层(a)水平加速图(b)暨向加速图图5层数不同时加速度变化图北方交通大学学报第23卷随层数增多其振动幅度逐渐增大,同一层数的水平振幅低层的要比高层的大,高层建筑层与层间的水平振动幅度变化要比低层的小,且高

9、层建筑的水平振动幅度在24层时出现略为减小的现象,竖向振动较为接近,但仍以高层建筑的为小.为考察隧道深度变化对建筑物的影响,分别计算了隧道深度为7.8、11.8、15.8、19.8、2318m5种情况下座落于离中心线60m处建筑物各层的振动情况,其结果如表2所示1从表2中可看出,无论是建筑物的水平振动幅度还是竖向振动幅度均随隧道深度增大而逐渐减小,同时隧道深度对建筑物水平振动的影响要比竖向振动的大.表2建筑物各层加速度隧道深度/m层数水平一层二层三层六层52.060.357.811.815.819.823.8mms-2竖向103.5104.858106.8水平42.353.33200.0237

10、.5竖向100.3303103.0103.0水平33.850180.0210.038397.397.397.80085.5122.5157.5180.0竖向87.889.089.890.090.333.40.573.5103.8129.8150.0竖向079.079.579.880.080.32结论(1)地铁运行所引起的地面竖向振动在隧道中心最大,其后随距离的增加而逐渐衰减,在约60m处均有所反弹,但幅值较小.(2)地铁运行所引起的振动对建筑物的影响与自由地面的趋势基本相同,也是随着距离的增大而减小1建筑物的层数不同,其振动响应也不相同,低层建筑影响大,高层建筑影响小.(3)隧道深度不同对建筑物的振动影响也不相同,深度越浅,建筑物振动越大,深度越深,建筑物振动越小.参考文献1XiaHe.StudyofVibrationEffectsofUndergroundTrainsUponSurroundingEnvionments.AdvancesinStructuralEngineer2ing.Beijing:ChinaRailwayPublicshingHouse,199511161222张弥,夏禾.轻轨列车和高架桥梁系统的动力响应分析.北方交通大学