地铁列车引起振动监测与分析

地铁列车引起振动监测与分析

0地铁轨道交通振动影响规律近年来，中国已建立10多个城市，并已开始建设地铁和轻轨。一些负面影响也层出不穷。其中，运营公交对环境的影响尤其显著，尤其是公交在地面上运营的份额。目前,国际上已把振动列为七大环境公害之一。据有关国家统计,除工厂、企业和建筑工程外,交通系统引起的环境振动(主要是引起建筑物的振动)是公众反映中最为强烈的一项。为此,进行地铁列车运行诱发振动对地面以及地上建筑的影响规律的研究是很有必要的。目前,主要使用数值计算和现场监测进行研究。在本文中,为了评估地铁振动对其上建筑物的影响,研究地铁振动沿垂直于地铁线路方向及竖直方向的衰减规律,对某地建在地铁线路附近的建筑物进行了监测。在监测时,选址了两栋装有隔震装置和一栋没有安设隔震装置的建筑物,并对建筑物的振动进行了数值模拟,然后对记录的振动波和数值结果进行了分析与对比。1室内测点布置没有安设隔震装置的建筑物为6层楼,位于地铁线路正上方略偏北,在楼梯间和层2的单元房室内进行了监测,室内测点布置如图1所示。由于室内空间限制,将竖向和水平向振动一起测量,在室外阳台、客厅、厨房、卫生间各安置了一个测点。在楼梯间测试时,测点在楼梯的转换平台上。测试按照《城市区域环境振动测量方法》(GB10071—88)规定的方法进行。2地铁列车的振动对非分离振动器的影响在监测时,记录时间为600s。在该段时间有两列地铁列车通过,记录下两个完整的列车引起的振动波。图2为在室外阳台观测到的振动波。2.1振动加速度级计算方法该楼的长向为东西向,短向为南北向,线路的走向为东西向。在测量处的单元房内,厨房离震源最远,最近为室外阳台;客厅和卫生间处于中间位置,离震源距离基本相同。各测点振动加速度峰值见表1。从表中可以看出,在垂直于地铁线方向,竖向振动峰值差别较小,另外两个方向的振动峰值变化较大,但并不是离地铁线越远加速度峰值越小。根据下面公式,将测得的竖向振动加速度峰值转换为振动加速度级(VAL/dB)。可得客厅、阳台和楼梯间的振动加速度级均为为71.3dB,均超过国家规定的限值。式中:a为振动加速度有效值/m/s2;a0为基准加速度/×10-6m/s2。2.2水平振动加速度变化规律在非隔震楼内,还在楼梯间内安设了测点,对地铁列车振动沿竖直方向的变化进行了监测,见表2。对监测结果分析后发现,东西向和南北向的水平振动加速度变化曲线与余弦函数相似,只是两者的初始相位与波长不同,如图3所示。因此,随着高度的增加,振动峰值不是逐渐减小,这与文的测试结果基本一致(表3)。2.3振动波的频率根据非隔震楼室内测点加速度时程和楼梯间测点加速度时程,做出其功率谱,如图4和5所示。根据功率谱可以看出,该建筑物的振动波频率集中在22~40Hz之间。因为在该栋楼没有安设隔震装置,这样振动波在向上传播不会因隔震装置的过滤而使某些频率成分被滤掉。因此,可以判断地铁列车在建筑物中引起振动波的主要频率集中在22~40Hz之间。2.4振动波的功率谱和频率特性在测试时,还对正在施工的两幢底部安装了阻尼器的楼房进行了监测。这两幢建筑物位于无隔震装置的建筑物的北侧,分别为9层和10层,离地铁线路较远。其中,9层建筑物安装了三向阻尼器,10层建筑物安装了两向阻尼器。阻尼器安装在建筑物框架柱与平台柱的连接处。由于监测到的振动波较小,只对其频率特性进行了分析。根据隔震楼内的地铁振动加速度时程曲线,做出了其功率谱,如图6所示。从其功率谱,可以看出隔震楼内的振动其频率主要集中在20~40Hz,这与在非隔震楼监测到的地铁振动波的主要频率一致。另外,在地铁振动波未通过阻尼器时,低频波比较丰富;当地铁振动波通过阻尼器后,20~30Hz的频率成分的功率谱降低,该区段的频率成分被过滤。因此,隔震阻尼器装置对地铁振动产生的波的阻隔作用不大。这是因为地铁引起的振动波的频率较高,主要集中在20~40Hz;而地震波的频率较低,基本上在0.5~5Hz范围内。3地铁系统振动的频率特征进行现场观测后,使用FLAC2D对地铁引起的非隔振楼的振动进行了数值模拟。采用摩尔-库仑模型模拟土体的本构关系,各土层参数见表4;用线弹性模型模拟桩、大平台、楼房等混凝土结构的本构关系,其物理力学参数见表5。计算模型如图7所示,土层的长为120m,高为40m。分析数值计算得到的结果,并与现场监测数据对比后,发现:(1)平台板上的加速度成余弦函数形式,如图8所示。首先,随着距铁轨的距离增加,加速度值减小,到距铁轨12m左右,达到最小值;然后,又随着距铁轨距离的增加而增加,在30m左右又达到峰值。这是因为地铁引起的振动加速度值很小,不足以使平台随该波频率振动,因此其振动表现出平台本身的频率特性。(2)在楼梯间,振动加速度峰值随高度增加而增加。但是,层4~6处加速度有一个台阶,基本保持不变;然后,层6以上继续增加,如图9所示。这说明振动加速度峰值不是随层数增加而线性增加的,但是加速度数值与监测数据差异较大。(3)随着离铁轨距离的增加,楼板的加速度变化曲线与余弦曲线相似,并不是线性增加的,如图10所示。这与从监测数据得到的规律相同。对地铁运行引起的振动进行了监测,然后对建筑物的振动进行了数值模拟,并对记录的振动波与数值计算结果进行了分析与对比,得出以下主要结论:(1)随着高度的增加,地铁列车引起的振动峰值呈余弦函数形式变化。(2)地铁列车运行引起的振动的主要频率成分集中在22~40Hz之间。(3)安置在建筑物底部的隔震阻尼器对地铁列车运行诱发的振动波的阻隔作用不大。(4)地铁列车运行引起的加速度值很小,不会对混凝土结构产生破坏;但生活在建筑物内的人群却能明显的感觉到振动。因此,一