地鐵運(yùn)行引起鄰近建筑振動(dòng)的有限元分析

黃江華 韓全吉 董世釗

摘 要：為研究地鐵列車運(yùn)行引起鄰近建筑物振動(dòng)的影響，本文主要利用ABAQUS數(shù)值模擬方法，以Dload子程序模擬列車荷載，建立多種建筑模型，計(jì)算并提取相應(yīng)的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，對(duì)比分析塔式樓與板式樓的振動(dòng)特征，并分析框架結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)墻設(shè)置對(duì)建筑振動(dòng)的影響。分析結(jié)果表明，高層建筑中，隨著建筑層數(shù)的增加，振動(dòng)強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大、再衰減、后增大的趨勢(shì);框架結(jié)構(gòu)設(shè)置較多結(jié)構(gòu)墻，將為振動(dòng)波的傳播提供更多介質(zhì)，加劇了框架結(jié)構(gòu)受地鐵運(yùn)行引起的振動(dòng)反應(yīng)。

關(guān)鍵詞：地鐵;建筑振動(dòng);數(shù)值模擬;框架結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TU311.3;U231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2020）29-0093-03

Abstract： In order to study the influence of the vibration of adjacent buildings caused by subway operation， this paper mainly used the ABAQUS numerical simulation method to simulate the train load with the Dload subroutine， established a variety of building models， calculated and extracted the corresponding vibration acceleration data， compared the vibration characteristics of tower buildings and slab buildings， and analyzed the influence of structural walls in frame structures on building vibration. The analysis results show that in high-rise buildings， as the number of floors increases， the vibration intensity presents a trend of first increase， then attenuation and then increase; the frame structure is equipped with more structural walls， which will provide more media for the propagation of vibration waves， and aggravate the vibration response of the frame structure caused by subway operation.

Keywords： metro;building vibration;numerical simulation;frame structure

隨著城市化發(fā)展進(jìn)程的有序推進(jìn)，國內(nèi)城市軌道交通運(yùn)營量逐年增加。軌道交通具有快捷、運(yùn)載量大等優(yōu)點(diǎn)，但是會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成振動(dòng)污染。近年來，交通振動(dòng)污染得到更多關(guān)注，使得交通振動(dòng)問題的研究成為熱門。軌道交通振動(dòng)的產(chǎn)生原因復(fù)雜，其傳播與衰減也受多種因素影響。

本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)地鐵運(yùn)行引起的鄰近建筑振動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，探究建筑振動(dòng)特征，為建筑減振設(shè)計(jì)提供建議。

1 隧道-地層-建筑有限元模型

1.1 模型參數(shù)選取

本研究以鄭州地鐵某段為背景，建立有限元模型。取隧道軸向?yàn)閥軸，鉛垂方向?yàn)閦軸，建筑長(zhǎng)邊平行于隧道方向。

根據(jù)實(shí)際土層信息，在模型中化簡(jiǎn)土體為兩層，土層參數(shù)如表1所示。地鐵隧道埋深H為9.0 m，直徑D為6.0 m，隧道襯砌厚為0.35 m。為滿足計(jì)算精準(zhǔn)度要求，地鐵振動(dòng)問題建模時(shí)，模型隧道中心到模型邊界的距離應(yīng)達(dá)到（4～5）D[1]。

地鐵運(yùn)行振動(dòng)引起周邊土體的應(yīng)變遠(yuǎn)小于10-5，此時(shí)土體處于彈性狀態(tài)，本文所建立的地基土體模型采用彈性模型[2]。隧道及建筑各構(gòu)件參數(shù)如表2所示。

設(shè)置土體側(cè)面均為無限元單元，并施加法向約束，轉(zhuǎn)角為轉(zhuǎn)角無限元，以防止邊界上由于波的反射造成誤差。

由于模型將隧道管片簡(jiǎn)化為整體，賦予管片剛度折減，設(shè)彈性模量為27 600 MPa。

1.2 列車移動(dòng)荷載模擬

研究地鐵周邊環(huán)境振動(dòng)及地層、建筑沉降等動(dòng)力學(xué)問題時(shí)，首先需要確定列車移動(dòng)荷載的模擬方法。本文將列車荷載簡(jiǎn)化為一激勵(lì)力函數(shù)，其由靜荷載和多個(gè)簡(jiǎn)諧波組合而成[3-5]：

式中，[P0]為車輪靜載;[P1]、[P2]、[P3]分別為三種不平順管理?xiàng)l件下的振動(dòng)荷載幅值（[i]=1，2，3）;[t]為荷載作用時(shí)長(zhǎng)。

令列車簧下質(zhì)量為[M0]，對(duì)應(yīng)振幅為：

式中，[v]為車輛行駛速度;[Li]為振動(dòng)波長(zhǎng)。

根據(jù)相關(guān)資料，取[P0]=70 kN，列車簧下質(zhì)量[M0]=750 kg，取不平順振動(dòng)波長(zhǎng)和相應(yīng)典型矢高為[L1]=10.0 m，[a1]=5.0 m;[L2]=2.0 m，[a2]=0.6 m;[L3]=0.5 m，[a3]=0.1 m，[v]=80 km/h。利用ABAQUS子程序Dload使荷載移動(dòng)得到實(shí)現(xiàn)。施工的地鐵列車荷載如圖1所示。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

地鐵線路常與住宅建筑較近，所帶來振動(dòng)下的舒適度值得探究。

模型參數(shù)設(shè)置如下：框架結(jié)構(gòu)共有9層，層高為3.5 m。建筑橫縱均為4跨，梁截面尺寸為500 mm×300 mm，樓板厚度為120 mm，填充墻厚度設(shè)置為240 mm，剪力墻厚度設(shè)置為370 mm。建筑與隧道中心水平距離設(shè)置為15 m。

建筑模型如圖2所示。

上述模型固有主要頻率分別為0.542、5.018、2.029、7.165 Hz，表明結(jié)構(gòu)墻的合理運(yùn)用使得框架結(jié)構(gòu)自振頻率增大、自振周期減小，則結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度增強(qiáng)[6-7]。

設(shè)置動(dòng)力分析步驟并施加列車荷載，提取四類建筑模型各樓層對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)位置的振動(dòng)加速度級(jí)，如圖3所示。

圖3數(shù)據(jù)表明，垂直于地鐵隧道水平方向（x方向）和沿地鐵隧道水平方向（y方向）上，全框架結(jié)構(gòu)及框架-核心筒結(jié)構(gòu)建筑振動(dòng)強(qiáng)度隨樓層上升先略有衰減后逐漸上升，而框架-填充墻結(jié)構(gòu)和筒中筒結(jié)構(gòu)振動(dòng)強(qiáng)度平緩上升，表明結(jié)構(gòu)墻為振動(dòng)波在建筑結(jié)構(gòu)中的傳遞提供更多介質(zhì);四種建筑結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)加速度均保持在65～73 dB，水平振動(dòng)加速度級(jí)介于48～63 dB，且每種建筑在豎直方向上的數(shù)值均大于對(duì)應(yīng)水平方向數(shù)值，表明四類建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞特征均有豎向振動(dòng)強(qiáng)度明顯大于水平方向上的振動(dòng)強(qiáng)度，而豎向振動(dòng)加速度級(jí)變化幅度較小，且隨樓層上升呈現(xiàn)先增再減后增的現(xiàn)象;對(duì)比Z振級(jí)，在同一測(cè)點(diǎn)上，全框架結(jié)構(gòu)較其余三者低1～5 dB，表明結(jié)構(gòu)墻的加入加劇了框架結(jié)構(gòu)在鄰近地鐵運(yùn)行所造成的振動(dòng)反應(yīng)，對(duì)框架結(jié)構(gòu)抗震起到一定負(fù)面作用。

3 結(jié)論

對(duì)比全框架結(jié)構(gòu)、框架-填充墻結(jié)構(gòu)、框架-核心筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)模型固有頻率得知，結(jié)構(gòu)墻的運(yùn)用使得框架結(jié)構(gòu)剛度有所增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度增強(qiáng)，而筒中筒結(jié)構(gòu)則會(huì)造成建筑底部薄弱。結(jié)構(gòu)墻為振動(dòng)波在建筑結(jié)構(gòu)中的傳遞提供更多介質(zhì)，加劇了框架結(jié)構(gòu)在鄰近地鐵運(yùn)行所造成的振動(dòng)反應(yīng)，對(duì)框架結(jié)構(gòu)抗震起到一定負(fù)面作用。

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