莘莊樞紐上蓋建筑振動影響仿真分析

鄭玄東，耿傳智

（同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院，上海201804）

上海莘莊綜合樞紐工程由既有軌道交通1號線、5號線、擬建金山支線、滬杭客專南聯(lián)絡線、規(guī)劃軌道交通17號線組成五線平行換乘的一體化樞紐，物業(yè)開發(fā)部分為住宅、公寓式辦公、商業(yè)部分、酒店及辦公樓部分.該物業(yè)開發(fā)項目對居住環(huán)境的振動要求較高.列車經(jīng)過時引起的振動對周圍環(huán)境的影響［1-3］，是該類房產(chǎn)開發(fā)項目所面臨的重要問題.因此，對該開發(fā)項目中客運專線列車運行所引起的上蓋建筑物結構振動的預測分析，以及研究如何減少振動所帶來的影響非常必要.

1 莘莊樞紐工程半空間有限元模型

根據(jù)莘莊樞紐上蓋物業(yè)開發(fā)項目工程設計以及莘莊站地質勘查報告，采用ANSYS軟件，建立了莘莊站半空間有限元模型.

莘莊樞紐車站結構有限元模型寬度為600m，土層深度為92m.網(wǎng)格數(shù)量為27萬，節(jié)點數(shù)為28萬.

莘莊樞紐車站斷面結構如圖1所示.本文對圖1所示整個斷面進行了有限元網(wǎng)格劃分，圖2為圖1中虛線框A所示部分的有限元模型放大.

圖1 莘莊站建筑結構斷面Fig.1 Structure cross section of Xinzhuang Station

圖2 莘莊樞紐工程有限元模型局部放大Fig.2 Part of finite element model for Xinzhuang Hub project

圖2有限元模型中包括莘莊樞紐車站地質勘查的13層地基土層，不同的地基土層由不同顏色有限元單元表示.有限元模型中地基土層參數(shù)依照《莘莊站地質勘查報告終稿》中實測數(shù)據(jù)進行確定，并且在不同地基土層的邊界處建立了對應地基土層的黏彈性邊界條件，用以模擬無限邊界消除由于截斷效應所引起的反射波的影響［4］，用以保證仿真計算的準確性.模型還包括上蓋鄰近建筑物T17，與滬杭客專線路中心線的最近水平距離為10m，上蓋建筑物樓層高度120m；上蓋鄰近建筑T15與滬杭客專線路中心線的最近水平距離為97m，建筑高度138m，以及T17，T15的樁筏基礎、47m地下連續(xù)墻結構、滬杭客專碎石道床軌道，莘莊車站的斷面結構.

本文阻尼模型采用Rayleigh阻尼，根據(jù)實測站臺的振動加速度響應，設定計算阻尼的兩個自振頻率為1Hz和80Hz［5］.

1.1 有限元仿真分析工況

本文仿真分析兩種工況下滬杭客專鄰近建筑物T17，T15結構振動響應.即碎石道床軌道結構工況，在碎石道床下方增設隔振基礎工況.

圖3為碎石道床下方增設隔振基礎結構示意圖.圖中所示A部分為碎石道床軌道結構，B部分為隔振基礎，隔振基礎與地基之間采用彈性支撐，彈性支撐可采用橡膠或鋼彈簧支撐.

彈性支撐的剛度為7kN·mm-1，彈性支撐的阻尼常數(shù)取值為6×104N·（m·s-1）-1.采用Combin 14單元進行模擬.

圖3 碎石道床下設隔振基礎結構Fig.3 Additional isolation base under ballast track

1.2 列車荷載確定

本文采用數(shù)定表達式由實測鋼軌加速度計算得到鋼軌上的垂向輪軌力［6］.首先對莘莊樞紐車站進行了軌道結構及站臺的振動加速度現(xiàn)場實測.測試所得鋼軌振動加速度時程及頻譜如圖4所示.

圖4 鋼軌實測垂向振動加速度時程和頻譜Fig.4 Filed test time history and frequency content of vertical acceleration for rail

根據(jù)圖4所示的實測鋼軌振動加速度并采用數(shù)定表達式的計算方法，得到碎石道床工況下的輪軌荷載的時程及頻譜，如圖5和圖6所示.滬杭客專列車通過莘莊站時車速為130km·h-1，莘莊站為碎石道床軌道結構.

現(xiàn)場測點以及加速度傳感器安裝位置見圖7和圖8.現(xiàn)場測試依照《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》（GB 10071—88）［7］具體要求進行.

圖5 碎石道床下作用在鋼軌上的豎向輪軌力時域Fig.5 Time history of wheel-rail force on rail for general ballast track

圖6 碎石道床下作用在鋼軌上的豎向輪軌力頻譜Fig.6 Frequency content of wheel-rail force on rail for general ballast track

圖7 振動測試現(xiàn)場傳感器布置Fig.7 Vibration sensors placement in test field

圖8 測試現(xiàn)場振動加速度傳感器安裝Fig.8 Mounting of vibration sensors in test field

對于滬杭客?？瓦\專線，碎石道床工況下將由鋼軌垂向加速度計算得出的輪軌荷載施加在半空間模型中的鋼軌上，計算結構的振動響應.

另外，將輪軌荷載施加到單獨建立的基礎隔振有限元模型中，計算得到彈性基礎位置處的支反力，然后將該支反力施加到半空間模型的路基之上計算結構的振動響應，隔振基礎的彈性支座的支反力時程以及頻譜曲線，如圖9和圖10所示.

圖9 隔振基礎的彈性支座支反力時程Fig.9 Time history of base isolation support force

圖10 隔振基礎的彈性支座支反力頻譜Fig.10 Frequency content of base isolation support force

對比圖6、圖10可以看出經(jīng)過彈性基礎后傳遞到路基上的荷載頻域范圍主要集中在200Hz范圍內(nèi).

2 有限元仿真結果分析

對仿真分析結果，選取T17及T15建筑物的不同樓層臥室房間的樓板與剪力墻相連接位置處以及樓板中部作為分析對象.

2.1 時域以及頻譜分析

圖11和圖12分別為碎石道床和碎石道床下方增設隔振基礎工況下，建筑T17一層樓板端部位置處垂向振動加速度時域和頻譜.圖13和圖14分別為碎石道床和碎石道床下方增設隔振基礎工況下，建筑T15一層樓板端部位置處垂向振動加速度時域和頻譜.

圖11、圖13表明滬杭客專客運專線對上蓋建筑物T17的影響較大，而對相距較遠的T15建筑的影響較小.T17建筑一層加速度峰值為0.03m·s-2；T15一層加速度峰值為0.002m·s-2.同時對比圖11、圖13中頻譜可以得出，在碎石道床軌道工況下，T17振動加速度主要集中在0～60Hz范圍內(nèi)，對比T15振動加速度主要集中在0～20Hz范圍內(nèi).

圖11 碎石道床下T17一層樓板端部位置垂向振動加速度時域和頻譜Fig.11 Time history and frequency content of vertical vibration acceleration on the floor end of the first floor of T17building for ballast track

圖12 基礎隔振結構下T17一層樓板端部位置振動加速度時域和頻譜Fig.12 Time history and frequency content of vertical vibration acceleration on the floor end of the first floor of T17building for base isolation structure

圖13 碎石道床下T15一層樓板端部位置振動加速度時域和頻譜Fig.13 Time history and frequency content of vertical vibration acceleration on the floor end of the first floor of T15building for ballast track

圖14 基礎隔振下T15一層樓板端部位置振動加速度時域和頻譜Fig.14 Time history and frequency content of vertical vibration acceleration on the floor end of the first floor of T15building for base isolation structure

通過對比圖11、圖12可以看出，通過基礎隔振結構，能明顯降低客運專線列車帶來的中高頻振動影響，基礎減振后T17一層振動加速度峰值為0.003 6m·s-2，相對碎石道床工礦，加速度峰值減少了88%.

2.2 加速度1/3倍頻程分頻振級分析

對T17及T15建筑一層臥室房間的樓板與剪力墻相連接位置處以及樓板中部進行加速度1/3倍頻程分頻振級分析.

結果如圖15和圖16所示.通過對比可以明顯看出，滬杭客?？瓦\專線對T17的振動影響大于對T15的影響.T17建筑分頻振級在8Hz左右達到最大值為80dB，T15建筑分頻振級在8Hz左右達到最大值為52dB.

圖15 建筑T17一層不同工況下1/3倍頻程分頻振級Fig.15 One third octave vibration frequency division level VLzof the first floor in T17building under different conditions

圖16 建筑T15一層不同工況下1/3倍頻程振級Fig.16 One third octave vibration frequency division level of the first floor in T15building under different conditions

在碎石道床下方增設隔振基礎結構后，T17一層處樓板中部位置處分頻振級最大值為60.8dB，相對碎石道床工況的78.1dB減小了17.3dB；T15一層處樓板中部位置處分頻振級最大值為34.2dB，相對碎石道床工況的50.5dB減小了16.3dB.通過圖15，結合圖11和圖12可以看出：基礎隔振結構能明顯降低T17分頻振級在20～80Hz范圍內(nèi)的振動，分頻振級最大減少30dB以上.

2.3 建筑T17和T15最大振級分析

對仿真結果T17及T15建筑結構的垂向振動加速度進行分析，計算得到最大總振級VLzmax值，VLz計算方法依照GB 10071—88進行.計算得到T17，T15建筑VLzmax均值如表1所示.

表1 不同建筑VLz max均值Tab.1 VLz maxmean values of different buildings dB

針對本項目工程，采用文獻［8-10］，建議采用晝間70dB，夜間67dB，并用VLzmax計算結果進行評價.

表1列出了T17及T15建筑觀察點VLzmax均值.通過表1可以看出，在普通碎石道床工況下T15建筑的振動沒有超出標準的規(guī)定，但是T17建筑的VLzmax均值為79.68dB，超出夜間標準約12dB；采用基礎減振之后，T17建筑觀測點VLzmax均值為62.96dB，可以滿足國家及地方標準對居住環(huán)境要求的振動限值.

3 結論

本文建立莘莊站綜合樞紐工程半空間有限元模型，根據(jù)現(xiàn)場實測鋼軌加速度，運用數(shù)定表達式模擬輪軌荷載，最后對鄰近建筑物進行振動影響仿真分析，所得結果如下：

（1）碎石道床工礦下，T17建筑分頻振級在8 Hz左右達到最大值為80dB，T15建筑分頻振級在8Hz左右達到最大值為52dB.在碎石道床下方增設隔振基礎結構后，T17一層處樓板中部位置處分頻振級最大值為60.8dB，相對碎石道床工況的78.1dB減小了17.3dB；T15一層處樓板中部位置處分頻振級最大值為34.2dB，相對碎石道床工況的50.5dB減小了16.3dB.基礎隔振結構能明顯降低T17分頻振級在20～80Hz范圍內(nèi)的振動，分頻振級減少30dB以上.

（2）仿真分析結果表明，客運專線列車經(jīng)過時對上蓋建筑物T17的影響較大，普通碎石道床工況下結構振動VLzmax均值為79.68dB；對T15的影響較小，VLzmax均值為59.1dB.

（3）在碎石道床下方增設隔振基礎，能夠有效減少客運專線列車運行時對莘莊站上蓋建筑T17所產(chǎn)生的振動影響.增設隔振基礎后，T17建筑振動VLzmax均值為62.96dB，相對原始工況降低16dB左右，能夠滿足規(guī)范要求.

綜上所述，在既有軌道下方增設隔振基礎結構，能夠有效地降低滬杭客專列車通過時對莘莊站綜合樞紐工程上蓋建筑的振動影響，滿足莘莊站綜合樞紐工程上蓋開發(fā)建筑對環(huán)境振動的要求.

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