铁路桥梁对邻近建筑物振动的影响

铁路桥梁对邻近建筑物振动的影响

随着现代工业的快速发展和交通需求的增加，铁路运输交通以其大规模的客运运输、快速便性和低污染指数而言已越来越受到重视。但是,发展愈来愈快的铁路交通系统在给社会带来方便的同时,也对人们的生活、工作环境产生了不可忽视的振动污染,随之而来的则是越来越多的由这种环境振动引起的抱怨和批评。国际上已把振动列为七大环境公害之一,据统计,除工厂、企业和建筑工程之外,交通系统引起的环境振动(主要是建筑物的振动)是公众反映中最强烈的。这不仅是由于交通系统引起的环境振动日益增大,而且还因为随着社会的进步,人们对现代生活质量的要求也越来越高,即使对于同样水平的振动,在过去可能不是问题,而现在却越来越多地引起公众的强烈反应。所以,铁路列车引起的环境振动问题作为一种新型的环境公害,也已经成为一个愈来愈严重的社会问题。这些都对铁路交通系统(包括城市地铁、高架轻轨)引起的结构振动及其对周围环境及建筑物影响的研究提出了新的要求。为此,近年来国内外学者进行了深入的研究,发表了一系列研究成果。本文通过两次现场试验研究列车对周围环境及建筑物的振动影响,取得了很多有价值的实测数据。例如,测得了铁路线附近地面及建筑物各层的振动加速度,证实了加速度反弹增大区的存在,得到了列车类型及列车速度的影响、振动随距离的衰减等规律。这些试验结果验证了地面和建筑物的振动传播规律的许多理论研究成果,同时也对铁路交通系统的设计具有一定的参考价值。1桥附近地面振动的现场测试1.1场地土及加速度试验现场设在位于沈阳—哈尔滨铁路线上的大清河桥。该桥全长750m,由22孔等跨简支钢梁组成。梁跨长33.6m,工字型钢梁高2.61m,主梁中心距2.0m,腹板厚12mm,上下翼缘板厚度最小15mm,最大45mm,横向和水平纵向连接系均由角钢和槽钢组成。桥墩为混凝土桥墩,高度6m～10m。图1所示为大清河试验现场。场地土为湖相沉积砂粘土和砂砾层,各层土的深度及其土质特性参数见表1。试验中,在桥梁墩顶设置水平加速度传感器,在周围场地设置竖直加速度传感器。地面测点距离线路的垂直距离分别为0m、20m、40m、60m,如图2所示。试验荷载为1台DF4机车+7节C62货车组成的试验列车。DF4机车轴重230kN,C62货车满载轴重210kN。试验列车的速度为60km/h～80km/h。采用AKASHIV401BR型伺服位移传感器测量梁体及地面的振动,其最小频率为0.5Hz,最大量程为100mm,通过AKASHIAVL-25B型伺服放大器将信号放大,由MEGADAC5000数据采集系统和DADiSP动态数据分析软件进行信号处理。试验前,测试设备均由振动台进行了系统标定。当试验列车通过时,对墩顶以及地面不同距离处各测点的加速度进行测量。本试验中共得到28组列车过桥的实测数据,取每次实测加速度的最大值及各次最大值的平均值进行分析,列于表2。表中的加速度是以振级表示的,其换算公式为G=20lga+60(1)G=20lga+60(1)式中,G为振级,dB;a为实测加速度,cm/s2。1.2加速度时程曲线从表2中可以看出,墩顶的最大横向振动加速度为98.6dB。图3给出了列车速度为60km/h和80km/h时墩顶的横向振动加速度时程曲线。加速度时程曲线清楚地表明,随着列车速度增加,墩顶的横向振动也随之增大。当列车速度提高20km/h时,振动加速度增加了7dB～8dB。1.3不同列车加速度随桥墩距离的分布图4为60km/h的列车速度下两条典型的地面加速度反应时程曲线,其测点位置至桥墩距离D分别为0m和40m。列车引起的振动从梁传到桥墩,形成点振源,再通过基础向外传播。不同列车速度下地面振动加速度随桥墩距离的分布见图5。可以看出,地面加速度随着距离的增加呈线性衰减(以dB计)。最大加速度为107.5dB,发生在桥墩脚处。对于不同的车速,从墩脚到距离60m处,加速度最大值降低了37dB～43dB。从表2中可以看出,加速度平均值随振源距离的分布与最大值的分布具有相同的衰减趋势。墩脚处最大平均值为103.1dB,在不同的试验车速下,60m处比墩脚处降低了38dB～44dB。1.4列车加速度随列车速度的变化为考察列车速度对地面振动加速度的影响,将不同距离处的振动加速度随车速的变化绘于图6。结果表明,当列车速度在60km/h～80km/h范围内变化时,地面振动加速度具有随列车速度的提高而增大的趋势。当列车速度超过65km/h时,距桥墩30m内的地面振动强度均大于80dB。在不同测点,当列车速度由60km/h提高到80km/h时,地面振动加速度增加了10dB～20dB,并且距离越近,差距越大,说明列车速度对近距离的地面振动影响较大。2列车对相邻建筑物的振动影响试验2.1场地土和测点布置试验场地为沈阳—山海关铁路线上靠近沈阳车站附近的一段。试验现场有2座办公楼房,距离铁路线轨道非常近,见试验现场照片图7和测点布置示意图8。从图中可以看出,建筑物离轨道的最短距离只有12m,因此当有列车通过时,尤其当两列列车同时运行时,楼内工作人员可以明显地感觉到建筑物的振动,同时,经过现场检测,建筑物的顶层已经产生了裂纹。场地土为填土层和粉质砂粘土,各土层深度的土质特性参数见表3。两座建筑物均为普通砖混结构,其自振频率,经测试为5.66Hz。在试验场地上,沿着与铁道线路垂直的方向布置了9个测点,每个测点都布置了水平和竖直方向的加速度传感器,各测点距离轨道A的距离分别为0m、17m、35m和60m。在靠近铁路线的二层楼房A内,在1层、2层以及楼顶分别放置了加速度传感器,在稍远一点的楼房B的一层及二层放置了加速度传感器。测点布置详见图8。试验荷载为正常条件下运行的列车,包括旅客列车和货物列车,实测车速20km/h～80km/h。试验中共测得30组数据。由于运营线路上的列车具有不同的编组、荷载和速度,所以分析中给出了每次列车通过时地面及建筑物楼层振动加速度的最大值、各次最大值的平均值和均方差等统计参数。2.2加速度振级分布靠近轨道处(D=0m)和距离轨道35m两处地面实测振动加速度时程反应曲线见图9。从图9容易看出,经过35m距离,地面加速度振幅衰减很大。表4给出了实测地面振动加速度的统计值。从表中可以看出,靠近铁路轨道处的最大地面加速度高达119dB,而且对应的均方差值也相当大;距离轨道35m处的最大振级为84.3dB,稍微高于17m处的最大振级值。图10是实测各测点加速度振级的分布,图11是各测次加速度振级及其均值随线路距离的变化情况。尽管地形、地基条件等因素对振动的传递有影响,但基本的趋势是地面振动强度随着距铁路轨道距离的增加而减小。值得注意的是,在距线路大约35m左右处,出现了振动强度反弹增大的现象。这种地面振动强度反弹增大产生的原因,可认为是振动传播过程中在地面与基岩之间的反射形成的,这与文献的解释是一致的。列车轴重对地面振动强度也有较大的影响,图12所示为货车和客车产生的地面加速度比较。通常货车的轴重比客车大,也即施加在轨道上的荷载比较大,因而货车引起铁道附近地面振动强度就比轴重小的客车要大。从图12可以看出,货车引起的振动强度要比客车高出2dB～10dB,而且距铁路的距离越近,两类列车引起的振动强度差别也越大。2.3实测加速度时程表5所示为实测两座建筑物各楼层处振动加速度的统计值。从表中结果可以看出,距铁路轨道较近的A楼振动较大,其3层(实际上为屋顶)楼板的振级最大值高达89.31dB;而对于B楼,虽然其距轨道中心线的距离比A楼要远18m,但其1、2楼层的振动均比A楼相应高出5dB～6dB。图13给出了A楼2层和3层楼面的实测加速度时程曲线。图14是实测A楼各层楼面加速度振级的分布,图15是各测次振动最大加速度及其平均值随楼层的变化。综合分析图13～图15可以看出,对于一定高度的多层建筑,变化的总趋势为楼层越高,振动越强烈。这与文献的分析结果相一致。本试验中,A楼的顶层与底层楼面之间的振动强度差别达到15dB左右,B楼2层也较1层高出很多。3振动随原始地位的变化(1)运行列车引起桥墩附近地面振动随着列车速度的提高而增大。当试验列车速度从60km/h到80km/h变化时,桥墩处的地面最大振级达到87.5dB～107.5dB。(2)运行列车引起桥墩附近地面振动随着距桥墩(点振源)距离的增加而迅速衰减。(3)在铁路线附近,建筑物至铁路的距离对列车引起建筑物振动有很大的影响。随着距离的增加,地面振动和建筑物的振动都会衰减,但在距铁路(线振源)某一距离处,会出现一个振动反弹增大区(本试验中该距离为35m～45m)。(4)轴