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城市轨道交通系统对邻近建筑物的振动分析

日期:2010年12月19日 08:42

      1前言


      随着城市公共交通的发展,地铁、轻轨等城市轨道交通系统以其高效、快捷、环保等优点,成为缓解城市交通和减少污染的有效手段,在现代城市的立体交通体系中发挥着重要的作用。我国拥有和正在建设城市轨道交通系统的城市也越来越多,作为国内第4个地铁投入运营的城市,广州未来的城市轨道交通架构将由十几条地铁及轻轨线组成,深圳地铁也已建成投入运营,广州—佛山、广州—珠海轨道交通系统近期亦即将开工建设;珠江三角洲作为中国重要的城市群之一,其轨道交通的规模在国内首屈一指,城市轨道交通系统将在广东省的经济生活中起到越来越重要的作用。但城市轨道交通系统在给人们工作和生活带来高速、便捷的同时,其对四周建筑物的影响也逐步引起人们的关注。


      2振动的影响


      轨道交通系统的车厢移动将使车轮与轨道产生振动,这些振动经过隧道结构传递到四周土层中并向四面传播,将引起邻近建筑物的振动。由于城市建筑日益密集,城市轨道交通系统在穿越更多建筑群的同时,其交通密度也不断增大,另一方面随着整个社会环境保护意识的提高,国际上已把振动列为七大环境公害之一,轨道交通对四周建筑物的振动影响正在引起广泛的关注。根据实测,地铁列车通过时引起地面建筑物振动的持续时间约为10s;在一条线路上,高峰时两个方向每小时内可通过数十对列车,振动作用的持续时间可达到总工作时间的15%~20%。广州地铁一号线上的一幢9层框架房屋,实测数据表明室内的Z振级为dB,超出了GB10070-88《城市区域环境振动标准》规定的城市“混合区”,即一般商业与居民混合区昼间Z振级标准75dB、夜间72dB的要求。


      由于城市轨道交通系统投资巨大,一旦建成则很难改线和迁移,而建筑物正常情况下也具有较长的使用年限,轨道交通的振动污染一旦形成将长期存在。目前广东省正大力发展城市轨道交通系统,对环境质量的要求也愈来愈高,因此开展城市轨道交通对四周建筑物振动影响的研究,不仅具有重大的社会意义,还可以对轨道交通的规划、设计提供较为具体、可靠的依据,减少将来为降低这种振动污染所需的巨大经济投入。


     3振动的特点


     近年来,英国、日本、德国等国家已广泛开展了对轨道车辆振动的传播、衰减特性的研究,并提出了一些减少振害的措施。英国铁路治理局等部门对行车速度、激振频率和轨道参数的相关关系及共振现象进行了试验研究;日本的研究人员就轨道车辆引起的结构振动发生气理、振动波在地下和地面的传播规律及其对四周居民的影响进行了研究;德国的研究人员提出了一种基于脉冲激励和测试分析的诊断测试方法,以猜测市区轨道线四周建筑物地面振动水平。上述研究主要集中在进行相应的测试并分析研究振动波传播的规律,侧重于采取改善道床结构、车辆构造以及设置隔振设施等措施减少振动。


     在国内,由于近年来城市轨道交通系统的迅速发展以及全社会环保意识的提高,一些研究机构也开展了对地铁区间隧道及四周地面的振动测试分析工作,在地表振动波的衰减规律等方面取得了一定成果。但主要偏重于地铁隧道结构振动及振动传播方面的研究,未直接以对建筑物的振动影响作为研究对象,并将其与城市轨道交通系统产生的振动以及振动传播的特性进行综合分析。


     由于目前缺少专门的评估振动对建筑物影响的标准,因此仅能根据已有的少量测试数据及相关标准较粗略地分析建筑物所受的影响,而且建筑物的振动与其基础、结构形式、自重等多方面因素有关,显得较为复杂。同时,轨道车辆振动的传播较为复杂,与土层介质有着密切关系,振动波的传播特性在不同地质条件的地区不尽相同。由于地基土的区域非凡性,在其他地区测试、分析的结果并不一定符合广东省的实际情况,非凡是该地区地质条件复杂,具有很强的多样性,因此,可结合广东省的土质特点,对已建成使用的地铁隧道结构及四周建筑物进行现场测试,结合相应的岩土试验,分析地铁隧道结构及四周土体体系的动力特性,研究振动的传播途径、振动性状及对建筑物的影响,确定不同地质等条件下城市轨道交通系统与不同结构类型、基础形式建筑物的合理距离,为已建成的地铁线路四周建筑物振动影响的评价及拟建轨道交通系统的规划、设计提供相应的理论依据。


     4有限元数值分析


     由于城市轨道交通系统引起的振动较为复杂,涉及地铁轨道道床、隧道结构形式,场地土层类型,邻近建筑物的基础、结构形式等多种因素。而地铁路上运行产生的振源是一连串移动式作用点,对地面形成迭加作用,较为非凡。同时,埋置于土中的地下结构在动荷载的作用下,土与结构的动力相互作用不可忽视,是否考虑土与结构相互作用,其计算结果将相差很大。土中的地下结构由于土体介质的存在,将使结构的振动特性发生很大的变化,其结构的动力性能很可能完全改观,因此对城市轨道交通系统引起的振动进行分析具有一定的复杂性。


     动力有限元法是目前研究土与结构动力相互作用的常用的数值计算方法,是随着有限元法的发展与结构动力学理论的日趋成熟而逐渐发展起来的。
 

     动力有限元法可以方便地处理介质的非均匀性、各向异性、非线性以及复杂的几何外形及边界条件,因此可以进行地下结构动力特性的全面深入的研究。

 
     由于地面水平方向振动在传导过程中的衰减要快于竖向的振动,沿线建筑物内竖向振动多大于水平方向的振动,因此在评价建筑物受地铁振动的影响时,可以竖向振动为主。地铁列车竖向振动荷载如图1所示,由于地铁路上运行产生的是一连串移动振源,可在不同时刻在不同的计算断面上施加荷载,如图2中的1、2……n断面在不同的时间分别施加荷载P1、P2……Pn。


     建筑物在地铁引发振动下的响应分析,过去的研究多为在一个二维体系或两个正交的二维体系下的分析,但仅当建筑物沿隧道方向有着相当长度及一致性时方可勉强简化为二维情况进行分析,而实际情况中极难满足这些要求。因此,本文针对某地铁穿越其下的建筑物,建立了地铁隧道、土体及邻近建筑物的三维整体模型,对隧道及建筑物在列车振动荷载作用下的动力响应进行有限元分析。


     研究表明,在类似工程地质条件下,地铁振动对其穿越或紧邻建筑物的影响以体波为主,以通过体波将振动能量直接传至建筑物基础再影响上部结构为主要方式,面波对于该建筑物上部结构的影响甚微。


     5结语

     城市轨道交通系统不仅有效地缓解了交通拥挤状况,同时还极大地推动了社会经济发展,加快城市化建设步伐。由于国内已进入了城市轨道交通系统以及城市化建设的高峰期,积极开展城市轨道交通系统对四周建筑物的振动影响的研究,不仅可以较为准确地评估其现有的影响,同时将使以后的城市轨道交通系统的规划、建设更加全面、科学,具有较强的前瞻性,对于保护生态环境和社会可持续发展具有重要的现实意义。同时,由于地铁引发的建筑物振动问题较为复杂,涉及交通工程、土动力学、结构振动等领域,需对地铁振动波的传播机理进行更深一步的研究,并确切地分析邻近建筑物的振动效应。


 

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