高架軌道交通引起環(huán)境振動(dòng)的實(shí)測與數(shù)值模擬

高架軌道交通引起環(huán)境振動(dòng)的實(shí)測與數(shù)值模擬根底說明,用提出的分析模型和計(jì)算方法算得的環(huán)境振動(dòng)振級(jí)與統(tǒng)計(jì)回歸公式符合較好關(guān)鍵詞:城市高架軌道交通;振動(dòng)實(shí)測;車-橋體系振動(dòng)分析;土-構(gòu)造動(dòng)互相作用城市軌道交通的建立在我國起步較晚,故關(guān)于城市軌道交通引起環(huán)境振動(dòng)的實(shí)測和理論分析研究較少.20世紀(jì)80年代中期,我國曾對(duì)4個(gè)城市的鐵路交通引起的環(huán)境振動(dòng)實(shí)況進(jìn)展過實(shí)測[1],并于1988年制定了?城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)?[2].90年代末,在我國城市軌道交通進(jìn)入快速開展階段后,北方交通大學(xué)等利用二維有限元模型對(duì)高架軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)進(jìn)展過理論分析[3,4],但無實(shí)測資料印證.筆者從現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬分析2個(gè)方面研究上海高架軌道交通———明珠線引起的環(huán)境振動(dòng)的實(shí)況、發(fā)活力理及振動(dòng)傳播規(guī)律.1高架軌道交通引起環(huán)境振動(dòng)的現(xiàn)場實(shí)測在明珠線沿線選擇假設(shè)干振動(dòng)觀測場地及與線路垂直的觀測線,在列車通過時(shí)對(duì)各觀測線上諸觀測點(diǎn)的地面振動(dòng)進(jìn)展了實(shí)測.列車通過的車速約為60ｋｍ·ｈ-1.觀測儀器為愛華電子研究所消費(fèi)的ａｗａ6256ａ型壓電晶體式環(huán)境振動(dòng)分析儀,使用前與ａｌｔｕｓｋ2型強(qiáng)震儀進(jìn)展了同時(shí)觀測校驗(yàn),驗(yàn)證了儀器的可靠性.1.1沿線地面振動(dòng)的實(shí)測結(jié)果?城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)?[2]為式中:αω為頻率計(jì)權(quán)加速度有效值,ｍ·ｓ-2;α0為基準(zhǔn)加速度值,10-6ｍ·ｓ-2.由圖1可見,觀測線上各測點(diǎn)的振動(dòng)加速度、加速度時(shí)程的傅里葉譜和1/3倍頻程中心頻率處的振級(jí)隨著與中心線間隔的增加而衰減,且當(dāng)頻率愈高時(shí)衰減愈快.圖1ｃ還給出了列車通過前業(yè)已存在的環(huán)境振動(dòng),即高架軌道交通以外的其他振源引起的振動(dòng)(本文稱本底振動(dòng))對(duì)總的振動(dòng)振級(jí)的影響.由圖可見,當(dāng)頻率高于20ｈｚ或間隔ｒ小于10ｍ時(shí),本底振動(dòng)的影響很小.這是由于當(dāng)不存在特定振源時(shí),本底振動(dòng)的主要頻率范圍低于20ｈｚ且強(qiáng)度不大.當(dāng)有必要考慮本底振動(dòng)影響評(píng)價(jià)僅由高架軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)時(shí),在間隔線路中心10～20ｍ范圍內(nèi)可根據(jù)實(shí)測結(jié)果將測得的總振級(jí)減少0.5～3ｄｂ[5].圖2表示對(duì)應(yīng)于不同間隔測點(diǎn)1/3倍頻程中心頻率處的振級(jí)的分布情況.實(shí)測說明:頻率小于16ｈｚ的振動(dòng)隨間隔的衰減很小,其倍間隔衰減量約為4ｄｂ.20～25ｈｚ的振動(dòng)隨間隔的衰減較大,其倍間隔衰減量約為8ｄｂ.而64ｈｚ和80ｈｚ的振動(dòng)隨間隔衰減更大,其倍間隔衰減量約為8～16ｄｂ.1.2振級(jí)ｖ的統(tǒng)計(jì)回歸經(jīng)歷公式根據(jù)明珠線沿線約10個(gè)觀測區(qū)段的振動(dòng)實(shí)測結(jié)果,振級(jí)ｖ與距明珠線中心間隔ｒ的對(duì)數(shù)值ｌｏｇｒ的關(guān)系接近于線性關(guān)系.參照鮑尼茲[6]關(guān)于彈性半空間土體在外表擾力作用下地表振動(dòng)衰減的一般公式及日本國鐵技術(shù)研究所用于預(yù)測鐵路高架區(qū)間振級(jí)的經(jīng)歷公式[7],對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)利用回歸方法進(jìn)展擬合,得到明珠線高架軌道交通沿線地面振動(dòng)振級(jí)經(jīng)歷公式為式中:ｒ?yàn)橛^測點(diǎn)與線路中心的間隔,ｍ.式(2)與實(shí)測結(jié)果的比照參見圖3.由圖可見,二者符合良好.2高架軌道交通引起環(huán)境振動(dòng)的數(shù)值模擬分析高架軌道交通引起環(huán)境振動(dòng)的數(shù)值分析模型是一復(fù)雜的系統(tǒng),本文將總體分析模型分解為如圖4所示的2個(gè)子構(gòu)造分別求解.2.1總體分析模型的分解如圖4所示,將總體分析模型分解為車-橋體系的子構(gòu)造1和框架-樁基-土體系的子構(gòu)造2,由子構(gòu)造1可算得列車過橋時(shí)作用在框架頂部的動(dòng)支座反力,將此動(dòng)反力作用在子構(gòu)造2上并考慮框架構(gòu)造-地基根底的動(dòng)互相作用,即可算得高架線路沿線任意位置地面的振動(dòng).2.2子構(gòu)造的分析模型在圖5所示的車-橋體系子構(gòu)造1的振動(dòng)分析中,考慮了列車軌道不平順及梁支座彈性的影響.如以下圖考慮橋梁支座下設(shè)置的減振橡膠墊及框架、樁基和地基土的彈性變形,可建立彈性支座上梁的動(dòng)平衡方程.利用彈性支承梁的根本振型代替剛性支承梁的根本振型,可求解車-橋構(gòu)造在列車通過時(shí)的響應(yīng),進(jìn)而可算得支座動(dòng)反力[5].圖6所示的框架-樁基-土體系子構(gòu)造2在支座動(dòng)反力作用下的地面響應(yīng)可用有限元法計(jì)算.此時(shí)必須在土體有限元模型側(cè)面和底面邊界設(shè)置粘性邊界單元,以消除有限元模型邊界對(duì)土體內(nèi)傳播波的反射.利用粘性邊界單元計(jì)算了下述土-構(gòu)造動(dòng)互相作用經(jīng)典問題:豎向集中簡諧荷載作用下地面位移響應(yīng),地表和埋置根底的豎向阻抗函數(shù),樁基的豎向阻抗函數(shù)等,并將其與相應(yīng)的解析解或其他數(shù)值解進(jìn)展比照,確認(rèn)了粘性邊界單元的有效性[5].3數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析組合上述2個(gè)子構(gòu)造,即可計(jì)算明珠線高架軌道交通引起的沿線觀察點(diǎn)處的地面振動(dòng).3.1數(shù)值計(jì)算的模型及分析條件圖6表示列車通過3個(gè)支承框架時(shí)的框架-樁基-地基分析模型,為進(jìn)展比照3.2數(shù)值計(jì)算與實(shí)測結(jié)果的比照?qǐng)D7ａ和ｂ分別表示根據(jù)單框架和三框架模型算得的與線路中心線垂直線上不同間隔各觀察點(diǎn)處地面振動(dòng)的振級(jí),并與振級(jí)經(jīng)歷公式(2)進(jìn)展比擬.圖形顯示,根據(jù)三框架模型算得的結(jié)果比單框架模型更接近于公式(2).這是由于三框架模型考慮了相鄰框架振動(dòng)引起的波動(dòng)對(duì)地面振動(dòng)的影響.當(dāng)用單框架模型評(píng)價(jià)分開線路中心線10ｍ以外觀察點(diǎn)的振級(jí)時(shí),計(jì)算結(jié)果與經(jīng)歷公式的誤差加大.圖8ａ和ｂ分別表示單框架和三框架模型算得的1/3倍頻程中心頻率處的振級(jí)隨間隔的衰減.圖形顯示,三框架模型的計(jì)算結(jié)果普遍大于單框架模型計(jì)算結(jié)果,且算得的沿線地面振動(dòng)的振級(jí)與實(shí)測結(jié)果接近.因此本文建議的數(shù)值分析模型可應(yīng)用于預(yù)測高架軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)振級(jí).3.3車速和載客量對(duì)環(huán)境振動(dòng)的影響4結(jié)論上海市高架軌道交通明珠線引起環(huán)境振動(dòng)的現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值分析的研究結(jié)論如下:(1)高架軌道交通沿線環(huán)境振動(dòng)的振級(jí)隨著與線路中心線間隔的增大而衰減,振動(dòng)高頻成分的衰減比低頻更快.(2)根據(jù)實(shí)測結(jié)果的統(tǒng)計(jì)回歸分析,得出了上海高架軌道交通沿線環(huán)境振動(dòng)振級(jí)的經(jīng)歷公式,經(jīng)歷公式與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合良好.(3)提出了高架軌道交通引起環(huán)境振動(dòng)的數(shù)值模擬模型和計(jì)算方法.總體系可分解成車-橋二維子構(gòu)造模型和框架-樁根底-地基三維子構(gòu)造模型.(4)將上述2個(gè)子構(gòu)造結(jié)合,對(duì)明珠線典型區(qū)段沿線的環(huán)境振動(dòng)進(jìn)展了實(shí)例計(jì)算.結(jié)果說明,三框架模型算得的沿線地面振動(dòng)振級(jí)衰減規(guī)律比單框架模型更接近于實(shí)測經(jīng)歷公式.該模型可用于預(yù)測高架軌道交通引起環(huán)境振動(dòng)的振級(jí).(5)利用三框架計(jì)算模型,分析計(jì)算了列車運(yùn)行速度和載客量對(duì)沿線環(huán)境振動(dòng)的影響.計(jì)算說明,車速每增加20ｋｍ·ｈ-1,振級(jí)約增加4ｄｂ.列車載客量對(duì)振級(jí)的影響很小.參考文獻(xiàn):[1]馬筠.我國鐵路環(huán)境振動(dòng)現(xiàn)狀及傳播規(guī)律[ｊ].中國環(huán)境科學(xué),1987,17(6):70-74.[2]ｇｂ10070—88,城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)[ｓ].[3]張彌,夏禾.輕軌列車高架軌道系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)分析[ｊ].北方交通大學(xué)學(xué)報(bào),1999,18(1):1-8.[4]于大明,魏芳.輕軌列車作用下的高架橋梁系統(tǒng)振動(dòng)及其對(duì)周圍環(huán)境的影響[ｒ].北京:北方交通大學(xué)土木建筑系,1996.[5]張昕.軌道交通引起環(huán)境振動(dòng)的實(shí)測和理論研究[ｄ].上海:同濟(jì)大學(xué)構(gòu)造工程與防災(zāi)研究所,2002.[6]ｂｏｒｎｉｔｚｇ.ｂｅｒｄｉｅａｕｓｂｒｅｉｔｕｎｇｄｅｒｖｏｎｇｒｏｓｚｋｏｌｂｅｎｍａｓｈｉｎｅｎｅｒｚｅｕｇｔｅｎｂｏｄｅｎｓｃｈｗｉｎｇｕｎｇｅｎｉｎｄｉｅｔｉｅｆｅ[ｍ].ｂｅｒｌｉｎ:ｊｓ