周期性層狀隔振屏障影響參數(shù)分析

王另的，孫 寧，王文斌，張勝龍

（中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081）

周期性層狀隔振屏障影響參數(shù)分析

王另的，孫 寧，王文斌，張勝龍

（中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081）

隨著城市軌道交通的蓬勃發(fā)展和減振需求的不斷提高，軌道減振措施的局限性及環(huán)境振動超標(biāo)問題越來越凸顯。文章考慮地鐵近場地層的振動傳播特性，基于ANSYS軟件對周期性層狀隔振屏障進(jìn)行仿真分析，研究了周期性層狀隔振屏障結(jié)構(gòu)的樁長、樁間凈距、樁材料、屏障距樓距離等不同參數(shù)對其減振效果的影響，并分析了多種參數(shù)組合時屏障的隔振效果。

軌道交通；隔振屏障；數(shù)值仿真

0　引言

據(jù)統(tǒng)計，截止到 2015 年底，全國已有 26 個城市擁有了城市軌道交通運(yùn)營服務(wù)。飛速發(fā)展的城市軌道交通在緩解交通壓力的同時也引起了越來越嚴(yán)重的環(huán)境振動問題。解決城市軌道交通環(huán)境振動問題主要從振源減振、傳播路徑隔振和敏感目標(biāo)被動隔振等 3 個途徑入手。目前，地鐵通常采用振源減振方式，少有傳播路徑隔振配套治理措施，致使地鐵振動擾民現(xiàn)象仍舊存在。國內(nèi)外已普遍認(rèn)識到屏障隔振是解決軌道交通振動影響的有效措施，并逐步采用屏障隔振方式進(jìn)行振動治理，常用的有空溝、填充溝、單排樁、多排樁、蜂窩狀屏障、地下連續(xù)墻等。

地鐵振動能量更多的以體波的形式傳播至敏感建筑物，對于地質(zhì)比較松軟，土體中振波波長很大的情況下，要想取得良好的隔振效果必須用深溝，但深溝施工難度大、效果不穩(wěn)定。同時，由于地鐵隧道埋深通常達(dá)十多米甚至幾十米，基本不可能采取空溝隔振，連續(xù)樁墻和填充溝隔振的使用也會受到限制。此時，排樁體系因具有不受地質(zhì)條件限制、施工方便、隔振效果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，便成了一種更加切實(shí)可行的隔振結(jié)構(gòu)［1］。

本文針對一種地鐵路徑隔振結(jié)構(gòu)——周期性層狀隔振屏障，分析樁長、樁間凈距、屏障距樓距離、樁材料等 4 個不同參數(shù)對其隔振效果的影響，為今后城市軌道交通的路徑隔振措施提供一些有益的借鑒。

1　周期性層狀隔振屏障的影響參數(shù)

1.1周期性層狀隔振屏障原理

周期性層狀隔振屏障，利用周期結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對多排樁進(jìn)行合理設(shè)計使其與土構(gòu)成具有周期性的非連續(xù)性屏障（圖 1）。通過改變屏障結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)整屏障的隔振頻帶，可阻隔或改變振動波的傳播。周期性層狀隔振屏障具備工程可行性，且穩(wěn)定性好，適用于多種軌道振源型式，它既可以作為一種有效的城市軌道交通隔振結(jié)構(gòu)，用于新建地鐵線路振動敏感建筑物隔振，又可作為既有線振動超標(biāo)建筑物的治理措施，控制城市有害振動的傳播。

1.2周期性層狀隔振屏障的影響參數(shù)

影響周期性層狀隔振屏障結(jié)構(gòu)隔振效果的主要參數(shù)有樁徑、樁長、樁間凈距、樁排數(shù)、排間距、樁土剛度比、隔振材料等。

國內(nèi)外專家學(xué)者對層狀隔振屏障排樁進(jìn)行了大量深入系統(tǒng)的理論研究和實(shí)驗(yàn)仿真工作。Kattsi 等［2］采用邊界元三維模型研究了排樁的隔振問題，提出排樁隔振效果與排樁的樁徑、排樁長度和寬度等因素關(guān)系較大；徐滿清［3］提出排樁排數(shù)越多效果越好，排樁間距影響不大，但樁間凈距影響較大，而樁土剛度比在不同荷載速度下有不同影響；趙世?。?］提出排樁布置型式、距振源位置、排樁間距對多排樁結(jié)構(gòu)的減振效果影響不明顯，樁間凈距越小越好，并指出多排樁主要靠排數(shù)來實(shí)現(xiàn)隔振效果；高廣運(yùn)課題組［5～6］通過波的衍射理論與試驗(yàn)分析，證明圓形截面排樁有較好的隔振效果，提出排樁隔振效果主要取決于排數(shù)和樁間凈距；郭炳川［7］應(yīng)用控制變量法分析排樁參數(shù)，指出改變樁體材料對隔振效果沒有顯著影響；周亞坤［8］基于周期性結(jié)構(gòu)的帶隙理論，設(shè)計了周期性隔振墻，并得出周期性隔振墻能夠隔離 30～80 Hz 的振動。

圖 1 周期性層狀隔振屏障示意圖

綜合考慮現(xiàn)有結(jié)論及研究需要，本文采用 ANSYS三維有限元軟件建立周期性層狀隔振屏障仿真模型，對層狀隔振屏障隔振效果影響較大的樁長、樁間凈距、屏障距樓距離、樁材料等 4 個參數(shù)進(jìn)行研究，分析其對層狀隔振屏障減振效果的影響。

2　周期性層狀隔振屏障仿真分析

2.1有限元模型及參數(shù)設(shè)置

某A建筑物北臨北京市某地鐵車輛段出入段線，與線路最近距離僅為 11.8 m，易受到地鐵振源的振動影響。根據(jù)隔振設(shè)計，在線路和A建筑物之間布設(shè)周期性層狀隔振屏障（圖 2、圖 3）。本文基于 ANSYS 有限元軟件建立 A 建筑物與車輛段有限元模型（圖 4、圖 5），采用控制變量法研究層狀隔振屏障不同參數(shù)對隔離地鐵振動的影響。有限元模型中，土層和層狀隔振屏障排樁均采用實(shí)體單元 Solid45 模擬，軌道和車庫梁柱采用三維粱單元 Beam188，A 建筑物用殼單元 Shell63 模擬。

圖 2 車輛段A建筑物及線路示意圖

圖 3 層狀隔振屏障布設(shè)位置

圖 4 車輛段與A建筑物仿真模型

圖 5 層狀隔振屏障模型

綜合考慮現(xiàn)有研究結(jié)論及本工程實(shí)際情況，對層狀隔振屏障影響較大的樁長、樁間凈距、屏障距樓距離、樁材料等參數(shù)，分別選擇3個量值進(jìn)行組合計算，見表 1。計算過程中，先選取典型的參數(shù)組合進(jìn)行計算，同時進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，爭取以最小的計算量得出最佳的隔振性能的參數(shù)組合；對隔振影響較小的樁徑、排樁間距、樁截面型式僅取排距 1 m、樁徑 1 m 標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行計算。此外，為利于波的散射，層狀隔振屏障排樁單體設(shè)計為圓柱體。由于北京市地下土層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文采用北京市平均地層參數(shù)進(jìn)行模型計算，見表2。

表 1 排樁參數(shù)取值表

表 2 模型土層參數(shù)表

2.2模型計算荷載的獲取

本文計算模型荷載采用實(shí)測荷載數(shù)定法得到，即，據(jù)實(shí)測鋼軌加速度經(jīng)過 MATLAB 程序計算，獲得軌道豎向列車振動荷載的方法。列車引起的鋼軌垂向振動具有隨機(jī)特性，經(jīng)小波分解和重構(gòu)以后的鋼軌加速度時程可以認(rèn)為是一個具有零均值的各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)高斯過程，因此，可以將鋼軌垂向振動加速度經(jīng)傅里葉變換后用式（1）表示［9～10］：

考慮車輛的豎向振動，將列車簡化為一系、二系彈簧質(zhì)量系統(tǒng)模型的組合，并設(shè)這個組合是沿縱向均勻分布的，由此可得到圖 6 地鐵列車豎向振動簡化模型：

圖 6 地鐵列車豎向振動簡化模型

利用直接平衡法建立車體豎向運(yùn)動平衡方程為：

設(shè)質(zhì)量塊之間的相對位移別為 ξ1= z1- z0，ξ2= z2- z1，ξ3= z3- z2，則式（2）可以改寫為：

在列車行駛過程中，若忽略輪軌之間的彈跳作用，可以認(rèn)為車輪的豎向振動加速度與實(shí)測的鋼軌加速度相等，即：

相應(yīng)的：

則式（2）變?yōu)椋?/p>

根據(jù) D’Alembert 原理，可得輪軌間的相互作用力為：

通過現(xiàn)場實(shí)測，得到該處的振源振動測試數(shù)據(jù)，利用上述數(shù)定方法，計算得到地鐵列車運(yùn)行下的振源輪軌激勵力，作為模型的荷載輸入（圖 7）。

2.3計算結(jié)果分析

本文采用三維動力有限元計算的方式，計算A建筑物樓內(nèi)一層地板處的振動響應(yīng)。

圖 8、圖 9 給出了隔振屏障樁長從 6 m 增至 10.5 m，地鐵列車經(jīng)過時 A 建筑物樓內(nèi)地板處的振級和 1/3 倍頻程頻譜。由圖 8、圖 9 可見，受荷載激勵時，Z 振級最大值在 67 dB 左右，1/3 倍頻程頻曲線出現(xiàn) 2 個波峰，位置分別在 16 Hz、31.5 Hz 左右。

圖 10 給出了周期性層狀隔振屏障的排樁樁長、樁間凈距、屏障距樓距離、樁材料等 4 個參數(shù)對屏障減振效果的影響程度，從圖 10 中可以看出：

（1）樁長從 6.0 m 增至 10.5 m 時，周期性層狀隔振屏障減振量由 0.64 dB 增加到 1.28 dB，但減振量增加率減?。▓D10 a）；

（2）樁間凈距由 0.5 m 增加到 1.0 m 時，周期性隔振屏障減振量先增加后降低，1.0 m 時的減振量仍大于0.5 m 時的減振量，且在 0.75 m 時減振效果最優(yōu)，減振量達(dá)到 1.7 dB（圖10 b）；

圖 7 實(shí)測鋼軌垂向加速度和數(shù)定激勵力

圖 8 不同樁長Z振級時程曲線

圖 9 不同樁長1/3倍頻程頻譜

（3）隨著周期性隔振屏障距 A 樓距離的增加，減振效果呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在距離約3 m處，減振量最大，達(dá) 1.6 dB（圖10 c）；

（4）隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高，減振量成線性增加，但增加率不大（圖10 d）。

圖 10 不同樁長1/3倍頻程頻譜

3　結(jié)論

本文基于某地鐵軌道振源的實(shí)際測試數(shù)據(jù)，通過ANSYS 有限元分析，得到樁長、樁間凈距、屏障距樓距離、樁材料等 4 個參數(shù)對周期性隔振屏障減振量的影響，得到以下結(jié)論。

（1）隨樁長增加，周期性層狀隔振屏障減振量逐漸增大但減振量增加率逐漸減?。浑S著樁間凈距及屏障與建筑物之間距離的增加，周期性層狀隔振屏障減振量先增加后降低；隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高，周期性隔振屏障減振量成線性增加，但減振量增加率不大。

（2）相關(guān)行業(yè)工作者在設(shè)計周期性層狀隔振屏障時應(yīng)對各影響參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，綜合考慮。針對本文中研究的線路條件和地層參數(shù)的實(shí)際情況，周期性層狀隔振屏障的最優(yōu)參數(shù)組合為：采用 C20 混凝土材料，樁長 10.5 m，樁間凈距 0.75 m，樁距樓距離 3 m。

［1］ 韋紅亮，呂紹棣. 鐵路環(huán)境振動單排樁隔振數(shù)值分析［J］. 華東交通大學(xué)學(xué)報，2008，25（2）：10-15.

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責(zé)任編輯 朱開明

Analysis of Infl uence Parameters on Periodic Vibration Isolation Barrier

Wang Lingdi， Sun Ning， Wang Wenbin， et al.

With the rapid development of urban rail transit and the increasing demand of vibration reduction，the limitation of rail vibration reduction measures and the negative effects on the wheel/rail interfaces are becoming increasingly prominent. The paper takes into consideration of the influence of the near ground layer on vibration propagation， simulates the periodic layered isolation barrier with the ANSYS software， and studies the influence from different parameters such as pile length， pile spacing， distance from building， pile material， etc. It provides some reference for studies of the rail transit isolation measures in the future.

urban rail transit， vibration barrier， numerical simulation

TU435

2015-03-04

王另的（1987—），女，碩士研究生