高架轨道交通引起环境振动的实测与数值模拟

高架轨道交通引起环境振动的实测与数值模拟根底说明,用提出的分析模型和计算方法算得的环境振动振级与统计回归公式符合较好关键词:城市高架轨道交通;振动实测;车-桥体系振动分析;土-构造动互相作用城市轨道交通的建立在我国起步较晚,故关于城市轨道交通引起环境振动的实测和理论分析研究较少.20世纪80年代中期,我国曾对4个城市的铁路交通引起的环境振动实况进展过实测[1],并于1988年制定了?城市区域环境振动标准?[2].90年代末,在我国城市轨道交通进入快速开展阶段后,北方交通大学等利用二维有限元模型对高架轨道交通引起的环境振动进展过理论分析[3,4],但无实测资料印证.笔者从现场实测和数值模拟分析2个方面研究上海高架轨道交通———明珠线引起的环境振动的实况、发活力理及振动传播规律.1高架轨道交通引起环境振动的现场实测在明珠线沿线选择假设干振动观测场地及与线路垂直的观测线,在列车通过时对各观测线上诸观测点的地面振动进展了实测.列车通过的车速约为60ｋｍ·ｈ-1.观测仪器为爱华电子研究所消费的ａｗａ6256ａ型压电晶体式环境振动分析仪,使用前与ａｌｔｕｓｋ2型强震仪进展了同时观测校验,验证了仪器的可靠性.1.1沿线地面振动的实测结果?城市区域环境振动标准?[2]为式中:αω为频率计权加速度有效值,ｍ·ｓ-2;α0为基准加速度值,10-6ｍ·ｓ-2.由图1可见,观测线上各测点的振动加速度、加速度时程的傅里叶谱和1/3倍频程中心频率处的振级随着与中心线间隔的增加而衰减,且当频率愈高时衰减愈快.图1ｃ还给出了列车通过前业已存在的环境振动,即高架轨道交通以外的其他振源引起的振动(本文称本底振动)对总的振动振级的影响.由图可见,当频率高于20ｈｚ或间隔ｒ小于10ｍ时,本底振动的影响很小.这是由于当不存在特定振源时,本底振动的主要频率范围低于20ｈｚ且强度不大.当有必要考虑本底振动影响评价仅由高架轨道交通引起的环境振动时,在间隔线路中心10～20ｍ范围内可根据实测结果将测得的总振级减少0.5～3ｄｂ[5].图2表示对应于不同间隔测点1/3倍频程中心频率处的振级的分布情况.实测说明:频率小于16ｈｚ的振动随间隔的衰减很小,其倍间隔衰减量约为4ｄｂ.20～25ｈｚ的振动随间隔的衰减较大,其倍间隔衰减量约为8ｄｂ.而64ｈｚ和80ｈｚ的振动随间隔衰减更大,其倍间隔衰减量约为8～16ｄｂ.1.2振级ｖ的统计回归经历公式根据明珠线沿线约10个观测区段的振动实测结果,振级ｖ与距明珠线中心间隔ｒ的对数值ｌｏｇｒ的关系接近于线性关系.参照鲍尼兹[6]关于弹性半空间土体在外表扰力作用下地表振动衰减的一般公式及日本国铁技术研究所用于预测铁路高架区间振级的经历公式[7],对实测数据利用回归方法进展拟合,得到明珠线高架轨道交通沿线地面振动振级经历公式为式中:ｒ为观测点与线路中心的间隔,ｍ.式(2)与实测结果的比照参见图3.由图可见,二者符合良好.2高架轨道交通引起环境振动的数值模拟分析高架轨道交通引起环境振动的数值分析模型是一复杂的系统,本文将总体分析模型分解为如图4所示的2个子构造分别求解.2.1总体分析模型的分解如图4所示,将总体分析模型分解为车-桥体系的子构造1和框架-桩基-土体系的子构造2,由子构造1可算得列车过桥时作用在框架顶部的动支座反力,将此动反力作用在子构造2上并考虑框架构造-地基根底的动互相作用,即可算得高架线路沿线任意位置地面的振动.2.2子构造的分析模型在图5所示的车-桥体系子构造1的振动分析中,考虑了列车轨道不平顺及梁支座弹性的影响.如以下图考虑桥梁支座下设置的减振橡胶垫及框架、桩基和地基土的弹性变形,可建立弹性支座上梁的动平衡方程.利用弹性支承梁的根本振型代替刚性支承梁的根本振型,可求解车-桥构造在列车通过时的响应,进而可算得支座动反力[5].图6所示的框架-桩基-土体系子构造2在支座动反力作用下的地面响应可用有限元法计算.此时必须在土体有限元模型侧面和底面边界设置粘性边界单元,以消除有限元模型边界对土体内传播波的反射.利用粘性边界单元计算了下述土-构造动互相作用经典问题:竖向集中简谐荷载作用下地面位移响应,地表和埋置根底的竖向阻抗函数,桩基的竖向阻抗函数等,并将其与相应的解析解或其他数值解进展比照,确认了粘性边界单元的有效性[5].3数值模拟计算结果及分析组合上述2个子构造,即可计算明珠线高架轨道交通引起的沿线观察点处的地面振动.3.1数值计算的模型及分析条件图6表示列车通过3个支承框架时的框架-桩基-地基分析模型,为进展比照3.2数值计算与实测结果的比照图7ａ和ｂ分别表示根据单框架和三框架模型算得的与线路中心线垂直线上不同间隔各观察点处地面振动的振级,并与振级经历公式(2)进展比拟.图形显示,根据三框架模型算得的结果比单框架模型更接近于公式(2).这是由于三框架模型考虑了相邻框架振动引起的波动对地面振动的影响.当用单框架模型评价分开线路中心线10ｍ以外观察点的振级时,计算结果与经历公式的误差加大.图8ａ和ｂ分别表示单框架和三框架模型算得的1/3倍频程中心频率处的振级随间隔的衰减.图形显示,三框架模型的计算结果普遍大于单框架模型计算结果,且算得的沿线地面振动的振级与实测结果接近.因此本文建议的数值分析模型可应用于预测高架轨道交通引起的环境振动振级.3.3车速和载客量对环境振动的影响4结论上海市高架轨道交通明珠线引起环境振动的现场实测和数值分析的研究结论如下:(1)高架轨道交通沿线环境振动的振级随着与线路中心线间隔的增大而衰减,振动高频成分的衰减比低频更快.(2)根据实测结果的统计回归分析,得出了上海高架轨道交通沿线环境振动振级的经历公式,经历公式与实测数据吻合良好.(3)提出了高架轨道交通引起环境振动的数值模拟模型和计算方法.总体系可分解成车-桥二维子构造模型和框架-桩根底-地基三维子构造模型.(4)将上述2个子构造结合,对明珠线典型区段沿线的环境振动进展了实例计算.结果说明,三框架模型算得的沿线地面振动振级衰减规律比单框架模型更接近于实测经历公式.该模型可用于预测高架轨道交通引起环境振动的振级.(5)利用三框架计算模型,分析计算了列车运行速度和载客量对沿线环境振动的影响.计算说明,车速每增加20ｋｍ·ｈ-1,振级约增加4ｄｂ.列车载客量对振级的影响很小.参考文献:[1]马筠.我国铁路环境振动现状及传播规律[ｊ].中国环境科学,1987,17(6):70-74.[2]ｇｂ10070—88,城市区域环境振动标准[ｓ].[3]张弥,夏禾.轻轨列车高架轨道系统的动力响应分析[ｊ].北方交通大学学报,1999,18(1):1-8.[4]于大明,魏芳.轻轨列车作用下的高架桥梁系统振动及其对周围环境的影响[ｒ].北京:北方交通大学土木建筑系,1996.[5]张昕.轨道交通引起环境振动的实测和理论研究[ｄ].上海:同济大学构造工程与防灾研究所,2002.[6]ｂｏｒｎｉｔｚｇ.ｂｅｒｄｉｅａｕｓｂｒｅｉｔｕｎｇｄｅｒｖｏｎｇｒｏｓｚｋｏｌｂｅｎｍａｓｈｉｎｅｎｅｒｚｅｕｇｔｅｎｂｏｄｅｎｓｃｈｗｉｎｇｕｎｇｅｎｉｎｄｉｅｔｉｅｆｅ[ｍ].ｂｅｒｌｉｎ:ｊｓ