高架轨道交通引起环境振动的实测与数值模拟

摘要:从现场实测和数值模拟2个方面 分析 研究 上海高架轨道 交通 明珠线引起的环境振动实况、发生机理及振动传播 规律 .根据实测资料提出了预测明珠线引起环境振动振级的统计回归公式.建立了车-桥子结构和框架-地基基础子结构2个体系的分析模型及 计算 方法 .计算了典型区段在列车通过时引起的沿线环境振动.数值模拟分析结果表明,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-结构动相互作用

我国第一条城市高架轨道交通线———明珠线已在上海建成并投入运行.城市轨道交通引起的环境振动是一种新的城市公害.城市的环境振动除了会 影响 人体健康,干扰人们的正常生活及降低工作效率外,还会影响精密设备和仪器的正常使用,严重者甚至会对老旧建筑物造成损伤. 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、发生机理及振动传播规律.

1 高架轨道交通引起环境振动的现场实测1.1沿线地面振动的实测结果

1.2 振级Ｖ的统计回归经验公式

根据明珠线沿线约10个观测区段的振动实测结果,振级Ｖ与距明珠线中心距离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表面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验公式[7],对实测数据利用回归方法进行拟合,得到明珠线高架轨道交通沿线地面振动振级经验公式为

式中:Ｒ为观测点与线路中心的距离,ｍ.

式

(2)与实测结果的对比参见图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个子结构分别求解.

2.1 总体分析模型的分解2.2 子结构的分析模型

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.利用弹性支承梁的基本振型代替刚性支承梁的基本振型,可求解车-桥结构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-土体系子结构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-结构动相互作用经典 问题 :竖向集中简谐荷载作用下地面位移响应,地表和埋置基础的竖向阻抗函数,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行对比,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个子结构,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3.2 数值计算与实测结果的对比

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距离各观察点处地面振动的振级,并与振级经验公式

(2)进行比较.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离开线路中心线10ｍ以外观察点的振级时,计算结果与经验公式的误差加大.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距离的衰减.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距离的增大而衰减,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验公式,经验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-桥二维子结构模型和框架-桩基础-地基三维子结构模型.

(4) 将上述2个子结构结合,对明珠线典型区段沿线的环境振动进行了实例计算.结果表明,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验公式.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.计算表明,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:同济大学结构工程与防灾研究所,2002.

[6] ＢｏｒｎｉｔｚＧ. ｂｅｒｄｉｅＡｕｓｂｒｅｉｔｕｎｇｄｅｒｖｏｎＧｒｏｓｚｋｏｌｂｅｎｍａｓｈｉｎｅｎＥｒｚｅｕｇｔｅｎＢｏｄｅｎｓｃｈｗ ｉｎｇｕｎｇｅｎｉｎｄｉｅＴｉｅｆｅ[Ｍ].Ｂｅｒｌｉｎ:ＪＳｐｒｉｎｇ,1931.[8] 同济大学结构理论研究所.上海市地震小区划研究报告[Ｒ].上海:同济大学结构理论研究所,1992.

[9] 罗 林.我国特大桥轨道不平顺功率谱的研究[Ｒ].北京:中国铁道科学研究院,1998.