1、城市軌道交通系統對鄰近建筑物的振動分析摘 要: 隨著地鐵、輕軌等軌道交通項目的大量興建, 研究分析城市軌道交通系統運行對周圍建筑物的振動影響, 對于城市軌道交通系統的規劃、建設及環境保護、社會可持續發展均具有重要意義, 文中結合廣東省的實際情況, 通過有限元法對某鄰近地鐵隧道的建筑物進行了振動分析, 并討論了其振動特性。關鍵詞: 城市軌道交通系統; 建筑物; 振動1 前言 隨著城市公共交通的發展, 地鐵、輕軌等城市軌道交通系統以其高效、快捷、環保等優點, 成為緩解城市交通和減少污染的有效手段, 在現代城市的立體交通體系中發揮著重要的作用。我國擁有和正在建設城市軌道交通系統的城市也越來越多, 作
2、為國內第 4 個地鐵投入運營的城市, 廣州未來的城市軌道交通架構將由十幾條地鐵及輕軌線組成, 深圳地鐵也已建成投入運營, 廣州佛山、廣州珠海軌道交通系統近期亦即將開工建設; 珠江三角洲作為中國最重要的城市群之一, 其軌道交通的規模在國內首屈一指, 城市軌道交通系統將在廣東省的經濟生活中起到越來越重要的作用。但城市軌道交通系統在給人們工作和生活帶來高速、便捷的同時, 其對周圍建筑物的影響也逐步引起人們的關注。2 振動的影響 軌道交通系統的車廂移動將使車輪與軌道產生振動, 這些振動經過隧道結構傳遞到周圍土層中并向四周傳播, 將引起鄰近建筑物的振動。由于城市建筑日益密集, 城市軌道交通系統在穿越更多
3、建筑群的同時, 其交通密度也不斷增大, 另一方面隨著整個社會環境保護意識的提高, 國際上已把振動列為七大環境公害之一, 軌道交通對周圍建筑物的振動影響正在引起廣泛的關注。根據實測, 地鐵列車通過時引起地面建筑物振動的持續時間約為 10s; 在一條線路上, 高峰時兩個方向每小時內可通過數十對列車, 振動作用的持續時間可達到總工作時間的15%20%1。廣州地鐵一號線上的一幢 9 層框架房屋, 實測數據表明室內的 Z 振級為(79.285.2)dB,超出了 GB 10070-88城市區域環境振動標準規定的城市“混合區”, 即一般商業與居民混合區晝間 Z 振級標準 75dB、夜間 72dB 的要求23
4、。 由于城市軌道交通系統投資巨大, 一旦建成則很難改線和遷移, 而建筑物正常情況下也具有較長的使用年限, 軌道交通的振動污染一旦形成將長期存在。目前廣東省正大力發展城市軌道交通系統,對環境質量的要求也愈來愈高, 因此開展城市軌道交通對周圍建筑物振動影響的研究, 不僅具有重大的社會意義, 還可以對軌道交通的規劃、設計提供較為詳細、可靠的依據, 減少將來為降低這種振動污染所需的巨大經濟投入。3 振動的特點 近年來, 英國、日本、德國等國家已廣泛開展了對軌道車輛振動的傳播、衰減特性的研究, 并提出了一些減少振害的措施。英國鐵路管理局等部門對行車速度、激振頻率和軌道參數的相關關系及共振現象進行了試驗研
5、究; 日本的研究人員就軌道車輛引起的結構振動發生機理、振動波在地下和地面的傳播規律及其對周圍居民的影響進行了研究; 德國的研究人員提出了一種基于脈沖激勵和測試分析的診斷測試方法, 以預測市區軌道線附近建筑物地面振動水平。上述研究主要集中在進行相應的測試并分析研究振動波傳播的規律, 側重于采取改善道床結構、車輛構造以及設置隔振設施等措施減少振動。 在國內, 由于近年來城市軌道交通系統的迅速發展以及全社會環保意識的提高, 一些研究機構也開展了對地鐵區間隧道及附近地面的振動測試分析工作, 在地表振動波的衰減規律等方面取得了一定成果4。但主要偏重于地鐵隧道結構振動及振動傳播方面的研究, 未直接以對建筑
6、物的振動影響作為研究對象, 并將其與城市軌道交通系統產生的振動以及振動傳播的特性進行綜合分析。 由于目前缺少專門的評估振動對建筑物影響的標準, 因此僅能根據已有的少量測試數據及相關標準較粗略地分析建筑物所受的影響, 而且建筑物的振動與其基礎、結構形式、自重等多方面因素有關,顯得較為復雜。同時, 軌道車輛振動的傳播較為復雜, 與土層介質有著密切關系, 振動波的傳播特性在不同地質條件的地區不盡相同。由于地基土的區域特殊性, 在其他地區測試、分析的結果并不一定符合廣東省的實際情況, 特別是該地區地質條件復雜, 具有很強的多樣性, 因此, 可結合廣東省的土質特點,對已建成使用的地鐵隧道結構及周圍建筑物
7、進行現場測試, 結合相應的巖土試驗, 分析地鐵隧道結構及周圍土體體系的動力特性, 研究振動的傳播途徑、振動性狀及對建筑物的影響, 確定不同地質等條件下城市軌道交通系統與不同結構類型、基礎形式建筑物的合理距離, 為已建成的地鐵線路周圍建筑物振動影響的評價及擬建軌道交通系統的規劃、設計提供相應的理論依據。4 有限元數值分析 由于城市軌道交通系統引起的振動較為復雜,涉及地鐵軌道道床、隧道結構形式, 場地土層類型,鄰近建筑物的基礎、結構形式等多種因素。而地鐵在線路上運行產生的振源是一連串移動式作用點,對地面形成迭加作用, 較為特殊。同時, 埋置于土中的地下結構在動荷載的作用下, 土與結構的動力相互作用
8、不可忽視, 是否考慮土與結構相互作用, 其計算結果將相差很大。土中的地下結構由于土體介質的存在, 將使結構的振動特性發生很大的變化, 其結構的動力性能很可能完全改觀, 因此對城市軌道交通系統引起的振動進行分析具有一定的復雜性。 動力有限元法是目前研究土與結構動力相互作用的最常用的數值計算方法, 是隨著有限元法的發展與結構動力學理論的日趨成熟而逐漸發展起來的。 動力有限元法可以方便地處理介質的非均勻性、各向異性、非線性以及復雜的幾何形狀及邊界條件, 因此可以進行地下結構動力特性的全面深入的研究。 由于地面水平方向振動在傳導過程中的衰減要快于豎向( 鉛錘向) 的振動, 沿線建筑物內豎向振動多大于水平方向的振動, 因此在評價建筑物受地鐵振動的影響時, 可以豎向振動為主。地鐵列車豎向振動荷載如圖 1 所示, 由于地鐵在線路上運行產生的是一連串移動振源, 可在不同時刻在不同的計算斷面上施加荷載, 如圖 2 中的 1、2n 斷面在不同的時間分別施加荷載 P1、P2Pn。
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