客運專線引起鄰近開發(fā)建筑振動影響分析

鄭 玄 東

(上海申通地鐵集團有限公司，上海 201103)

目前隨著城市的不斷發(fā)展，鐵路客運專線沿線的房產(chǎn)開發(fā)項目逐漸增加。然而客運專線對周圍建筑的振動影響[1-4]，是該類房產(chǎn)開發(fā)項目面臨的問題。因此，對客運專線臨近建筑振動傳遞規(guī)律以及合理的減振措施研究顯得極為重要。

本文根據(jù)某地客運專線臨近建筑開發(fā)項目設計資料開展振動有限元仿真分析。首先對既有客運專線環(huán)境振動情況進行了現(xiàn)場測試。測得了振動原始數(shù)據(jù)。根據(jù)工程設計資料、現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)及該物業(yè)開發(fā)項目地質(zhì)勘查資料建立有限元模型進行仿真分析。

針對該物業(yè)開發(fā)項目提出路基基礎隔振方案，對臨近建筑振動傳遞規(guī)律以及減振效果進行了對比仿真分析研究。

1 客運專線振動加速度現(xiàn)場實測

為了獲得客運專線既有振動情況，針對現(xiàn)狀進行了振動加速度的現(xiàn)場實測。

現(xiàn)場實測工況下的列車通過時速為130 km/h，該測試區(qū)段軌道結構類型為碎石道床，混凝土長枕，彈條Ⅰ型扣件。振動加速度測試現(xiàn)場測點布置如圖1所示。其中本次站臺測點距離最近的線路中心線為7.5 m。

通過對比站臺和鋼軌測點的振動加速度頻譜分析結果，如圖2，圖3所示，可以看出：該處列車所引起的結構振動中，高頻振動成分只出現(xiàn)在鋼軌上，經(jīng)過碎石道床以及路基土體的共同衰減過后，垂向振動加速度主要集中在200 Hz以內(nèi)，其卓越頻率為50 Hz～100 Hz。因此，根據(jù)實測7.5 m站臺處的測試結果，該處客運專線對鄰近開發(fā)建筑物垂向振動加速度的影響主要集中在200 Hz范圍以內(nèi)。

對實測垂向振動加速度進行1/3倍頻程分析，站臺測點的VLzmax值為90.17 dB。

2 半空間有限元模型

根據(jù)該物業(yè)開發(fā)項目工程設計及地質(zhì)勘查資料，建立了半空間有限元模型[5,6]。斷面結構見圖4，模型斷面建立了包含碎石道床的軌道結構，分層地基有限元結構，以及該斷面內(nèi)鄰近客運專線的兩棟高層建筑物，同時按照設計資料中的樁基布置，在有限元模型中考慮了樁基對振動仿真的影響。

本文有限元模型阻尼采用Rayleigh阻尼，根據(jù)現(xiàn)場實測的振動加速度分析結果，設定阻尼計算自振頻率為1 Hz和80 Hz，有限元模型采用粘彈性人工邊界單元消除振動反射波。

2.1 客運專線減振方案確定

針對現(xiàn)場實測振動情況，結合工程實際，為適應客運專線碎石道床現(xiàn)狀，提出一種基礎隔振方案。

基礎減振原理是在路基基礎上建立鋼筋混凝土槽型結構，槽型結構上方為正常的碎石道床軌道結構，同時在槽型基礎和路基之間設立彈性支撐結構。

在路基面進行適當?shù)拈_挖，能夠有效的保證既有軌道結構類型及軌道結構高度，同時能夠根據(jù)實際情況增加槽型基礎或碎石道床厚度，匹配不同彈性支座剛度，從而增加隔振基礎的穩(wěn)定性，線路坡度適應性以及減振效果等方面現(xiàn)場需求。

本文為分析基礎隔振的減振效果，建立了有限元模型，圖5為鋪設好道砟及鋼軌后整體有限元模型。

2.2 列車荷載確定

本文結合現(xiàn)場鋼軌實測振動加速度，采用數(shù)定表達式的方法反算客運專線輪軌力，計算結果如圖6所示。

3 有限元仿真及結果分析

選取建筑N1和N2不同樓層臥室房間的樓板中部及端部位置，對振動傳遞規(guī)律及隔振基礎的減振效果進行分析研究。

3.1 時域和頻譜分析

圖7,圖8表明，采用基礎隔振結構后，能夠有效的降低20 Hz～60 Hz范圍內(nèi)的振動加速度。

根據(jù)仿真分析結果可以看出，客?？瓦\專線引起N1振動加速度主要集中在60 Hz以內(nèi)；N2振動加速度集中在1 Hz～20 Hz范圍內(nèi)，對距離較近的N1的影響較大。

3.2 分頻振級分析

對N1一層樓板端部及中部的仿真結果進行1/3倍頻程分析，結果如圖9所示。建筑N1在9 Hz附近分頻振級達到了80.5 dB左右。

采用基礎隔振結構時，建筑N1一層樓相對碎石道床結構減小了17.3 dB。

3.3 不同樓層總振級VLzmax分析

對仿真結果N1和N2各樓層樓板不同位置進行總振級分析，得到了不同樓層的VLzmax值，兩個建筑不同樓層位置的VLzmax如圖10,圖11所示。N1和N2各樓層VLzmax隨著樓層的增高不斷變大：N1在碎石道床下增幅為11.1 dB較N2的增幅6.3 dB大4.8 dB。N1建筑在碎石道床工況下以及基礎隔振結構工況下樓板中部的振動均大于樓板端部的振動，最大差值為7.4 dB；N2各樓層樓板端部與樓板中部位置振動相差不大。

普通碎石道床工況下，N1各樓層VLzmax最小值位于1層樓板端部位置，值為77.1 dB；最大值位于21層樓板中部，值為88.1 dB。采用基礎隔振結構后：N1一層樓板端部位置VLzmax能夠減少17.1 dB；N1第21層樓板中部位置處值為71.7 dB,減少了16.4 dB。

表1 各樓層VLzmax最值 dB

表1為建筑N1以及N2樓板振動VLzmax極值，結合圖10，圖11以及表1可知，普通碎石道床工況下建筑N1的振動較大，采用基礎減振之后，能夠有效的降低臨近建筑N1各樓層的振動水平。

4 結語

本文通過某物業(yè)開發(fā)項目工程現(xiàn)場振動實測，半空間有限元模型對比仿真分析，得到如下結果：

1)該物業(yè)開發(fā)地段，客運專線鋼軌垂向加速度，頻譜范圍較大，頻率范圍在2 000 Hz以上，在鄰近的7.5 m站臺處振動VLzmax為90.17 dB，垂向振動加速度主要集中在100 Hz以內(nèi)。

2)客運專線鄰近建筑物仿真分析結果表明，隨著樓層的增高，客運專線列車經(jīng)過引起的鄰近高層建筑物的振動增大，N1在碎石道床下增幅為11.1 dB。N1建筑樓板跨中位置處振動大于樓板端部位置處的振動，而N2建筑兩處振動相差不大。

3)根據(jù)動力有限元模型仿真結果可以得出，客運專線列車經(jīng)過時對鄰近建筑物N1的影響較大，普通碎石道床工況下結構振動VLzmax最小值為77.12 dB，最大值為88.14 dB；對N2的影響較小，VLzmax最大值為61.26 dB。

4)本文采用的基礎隔振結構方案，能有效的減少客運專線列車運行時對鄰近建筑N1所產(chǎn)生的振動影響。采用基礎隔振結構之后，N1建筑一層樓振動VLzmax值為60.13 dB，隨著樓層增高后增大為71.99 dB，能夠滿足相關規(guī)范要求。

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