高架軌道交通引起環(huán)境振動實測和數(shù)值模擬

1、高架軌道交通引起環(huán)境振動實測和數(shù)值模擬    摘要:從現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬2個方面分析研究上海高架軌道交通明珠線引起的環(huán)境振動實況、發(fā)生機理及振動傳播規(guī)律.根據(jù)實測資料提出了預(yù)測明珠線引起環(huán)境振動振級的統(tǒng)計回歸公式.建立了車-橋子結(jié)構(gòu)和框架-地基基礎(chǔ)子結(jié)構(gòu)2個體系的分析模型及計算方法.計算了典型區(qū)段在列車通過時引起的沿線環(huán)境振動.數(shù)值模擬分析結(jié)果表明,用提出的分析模型和計算方法算得的環(huán)境振動振級與統(tǒng)計回歸公式符合較好 關(guān)鍵詞:城市高架軌道交通;振動實測;車-橋體系振動分析;土-結(jié)構(gòu)動相互作用     

2、60; 我國第一條城市高架軌道交通線明珠線已在上海建成并投入運行.城市軌道交通引起的環(huán)境振動是一種新的城市公害.城市的環(huán)境振動除了會影響人體健康,干擾人們的正常生活及降低工作效率外,還會影響精密設(shè)備和儀器的正常使用,嚴重者甚至?xí)吓f建筑物造成損傷.      城市軌道交通的建設(shè)在我國起步較晚,故關(guān)于城市軌道交通引起環(huán)境振動的實測和理論分析研究較少.20世紀80年代中期,我國曾對4個城市的鐵路交通引起的環(huán)境振動實況進行過實測1,并于1988年制定了城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)2.90年代末,在我國城市軌道交通進入快速發(fā)展階段后,北方交通大學(xué)等利用二維有

3、限元模型對高架軌道交通引起的環(huán)境振動進行過理論分析3,4,但無實測資料印證.      筆者從現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬分析2個方面研究上海高架軌道交通明珠線引起的環(huán)境振動的實況、發(fā)生機理及振動傳播規(guī)律.1 高架軌道交通引起環(huán)境振動的現(xiàn)場實測      在明珠線沿線選擇若干振動觀測場地及與線路垂直的觀測線,在列車通過時對各觀測線上諸觀測點的地面振動進行了實測.列車通過的車速約為60·-1.觀測儀器為愛華電子研究所生產(chǎn)的6256型壓電晶體式環(huán)境振動分析儀,使用前與2型強震儀進行了同時觀測校驗,驗

4、證了儀器的可靠性.1.1沿線地面振動的實測結(jié)果      振動加速度測量的典型結(jié)果參見圖1.圖1表示距離明珠線中心0,6,10,16,20處地面的豎向加速度時程.圖1表示圖1加速度時程的傅立葉譜.圖1表示圖1加速度時程的振級(,)的頻率分布,加速度振級的定義根據(jù)我國城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)2為    式中:為頻率計權(quán)加速度有效值,·-2;0為基準(zhǔn)加速度值,10-6·-2.          由圖1可見

5、,觀測線上各測點的振動加速度、加速度時程的傅里葉譜和1/3倍頻程中心頻率處的振級隨著與中心線距離的增加而衰減,且當(dāng)頻率愈高時衰減愈快.圖1還給出了列車通過前業(yè)已存在的環(huán)境振動,即高架軌道交通以外的其他振源引起的振動(本文稱本底振動)對總的振動振級的影響.由圖可見,當(dāng)頻率高于20或距離小于10時,本底振動的影響很小.這是由于當(dāng)不存在特定振源時,本底振動的主要頻率范圍低于20且強度不大.當(dāng)有必要考慮本底振動影響評價僅由高架軌道交通引起的環(huán)境振動時,在距離線路中心1020范圍內(nèi)可根據(jù)實測結(jié)果將測得的總振級減少0.535.圖2表示對應(yīng)于不同距離測點1/3倍頻程中心頻率處的振級的分布情況.實測表明:頻率

6、小于16的振動隨距離的衰減很小,其倍距離衰減量約為4.2025的振動隨距離的衰減較大,其倍距離衰減量約為8.而64和80的振動隨距離衰減更大,其倍距離衰減量約為816.    1.2 振級的統(tǒng)計回歸經(jīng)驗公式      根據(jù)明珠線沿線約10個觀測區(qū)段的振動實測結(jié)果,振級與距明珠線中心距離的對數(shù)值的關(guān)系接近于線性關(guān)系.參照鮑尼茲6關(guān)于彈性半空間土體在表面擾力作用下地表振動衰減的一般公式及日本國鐵技術(shù)研究所用于預(yù)測鐵路高架區(qū)間振級的經(jīng)驗公式7,對實測數(shù)據(jù)利用回歸方法進行擬合,得到明珠線高架軌道交通沿線地面振動振

7、級經(jīng)驗公式為    式中:為觀測點與線路中心的距離,.式(2)與實測結(jié)果的對比參見圖3.由圖可見,二者符合良好.    2 高架軌道交通引起環(huán)境振動的數(shù)值模擬分析     高架軌道交通引起環(huán)境振動的數(shù)值分析模型是一復(fù)雜的系統(tǒng),本文將總體分析模型分解為如圖4所示的2個子結(jié)構(gòu)分別求解.    2.1 總體分析模型的分解      如圖4所示,將總體分析模型分解為車-橋體系的子結(jié)構(gòu)1和框架-樁

8、基-土體系的子結(jié)構(gòu)2,由子結(jié)構(gòu)1可算得列車過橋時作用在框架頂部的動支座反力,將此動反力作用在子結(jié)構(gòu)2上并考慮框架結(jié)構(gòu)-地基基礎(chǔ)的動相互作用,即可算得高架線路沿線任意位置地面的振動.2.2 子結(jié)構(gòu)的分析模型     在圖5所示的車-橋體系子結(jié)構(gòu)1的振動分析中,考慮了列車軌道不平順及梁支座彈性的影響.如圖所示,每一節(jié)車廂假設(shè)為剛體并有2個輪對、支承在轉(zhuǎn)向架上由二系彈簧合并成的一系彈簧上.設(shè)車廂具有豎向沉浮運動和回轉(zhuǎn)點頭運動這2個自由度.設(shè)轉(zhuǎn)向架的間距為,第個車輪至第1個車輪的距離為,列車速度為,考慮軌道不平順的條件建立車體運動與轉(zhuǎn)向架運動的關(guān)系.本文采用頻域

9、法()擬合軌道不平順功率譜密度函數(shù)生成軌道不平順的樣本5.          考慮橋梁支座下設(shè)置的減振橡膠墊及框架、樁基和地基土的彈性變形,可建立彈性支座上梁的動平衡方程.利用彈性支承梁的基本振型代替剛性支承梁的基本振型,可求解車-橋結(jié)構(gòu)在列車通過時的響應(yīng),進而可算得支座動反力5.      圖6所示的框架-樁基-土體系子結(jié)構(gòu)2在支座動反力作用下的地面響應(yīng)可用有限元法計算.此時必須在土體有限元模型側(cè)面和底面邊界設(shè)置粘性邊界單元,以消除有限元模型邊界對土體內(nèi)

10、傳播波的反射.利用粘性邊界單元計算了下述土-結(jié)構(gòu)動相互作用經(jīng)典問題:豎向集中簡諧荷載作用下地面位移響應(yīng),地表和埋置基礎(chǔ)的豎向阻抗函數(shù),樁基的豎向阻抗函數(shù)等,并將其與相應(yīng)的解析解或其他數(shù)值解進行對比,確認了粘性邊界單元的有效性5. 3 數(shù)值模擬計算結(jié)果及分析      組合上述2個子結(jié)構(gòu),即可計算明珠線高架軌道交通引起的沿線觀察點處的地面振動.3.1 數(shù)值計算的模型及分析條件      圖6表示列車通過3個支承框架時的框架-樁基-地基分析模型,為進行對比還分析計算了列車通過單個支承框架時的情況.圖

11、中給出了有限元的分割情況,計算中利用了問題的對稱性.標(biāo)號30的框架混凝土柱截面為1.2×1.4、高6.鋼筋混凝土灌注樁直徑為800、樁長37、樁的間距為2,承臺尺寸為6×8×2、下設(shè)12根樁,承臺及樁的混凝土標(biāo)號為25.場地土特性根據(jù)上海典型層狀地基剖面8取用.在有限元模型中,承臺及土采用三維實體單元,框架柱及樁采用梁單元.動力荷載1(),2(),3()是根據(jù)6車廂的列車通過5跨橋梁的條件算得的3個相鄰支座的動反力,它們互有相位差.對單框架的計算模型,僅取單個支座的動反力.明珠線典型區(qū)段的鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力雙孔箱型簡支梁參數(shù)如下:跨度30、50混凝土、單位長度的質(zhì)量

12、為17980·-1、抗彎剛度為100、阻尼比為0.05.列車參數(shù)如下:各輪對質(zhì)量為2808,空車質(zhì)量24、轉(zhuǎn)動慣量1825.2·2、載重12.3(考慮定員的一半).二系彈簧合并后的彈簧剛度為684.909·-1,阻尼系數(shù)314··-1,車廂的長度為22.8、轉(zhuǎn)向架的間距為15.7、輪距為2.5,車速取60·-1.考慮到高架軌道的橋梁結(jié)構(gòu)與鐵路橋梁結(jié)構(gòu)相似,計算中采用鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁上的軌面不平順功率譜密度函數(shù)9作為高架軌道交通軌道不平順功率譜密度函數(shù).3.2 數(shù)值計算與實測結(jié)果的對比    

13、  圖7和分別表示根據(jù)單框架和三框架模型算得的與線路中心線垂直線上不同距離各觀察點處地面振動的振級,并與振級經(jīng)驗公式(2)進行比較.圖形顯示,根據(jù)三框架模型算得的結(jié)果比單框架模型更接近于公式(2).這是由于三框架模型考慮了相鄰框架振動引起的波動對地面振動的影響.當(dāng)用單框架模型評價離開線路中心線10以外觀察點的振級時,計算結(jié)果與經(jīng)驗公式的誤差加大.圖8和分別表示單框架和三框架模型算得的1/3倍頻程中心頻率處的振級隨距離的衰減.圖形顯示,三框架模型的計算結(jié)果普遍大于單框架模型計算結(jié)果,且算得的沿線地面振動的振級與實測結(jié)果接近.因此本文建議的數(shù)值分析模型可應(yīng)用于預(yù)測高架軌道交通引起的環(huán)境振

14、動振級.    3.3       車速和載客量對環(huán)境振動的影響利用以上三框架計算模型,分析計算了列車運行速度對沿線環(huán)境振動的影響.計算了額定車速60·-1和假定車速80,100·-1時沿線振動振級.圖9表示車速為60,80,100·-1時與線路中心線不同距離各觀測點處的振級隨距離的衰減情況.由圖可見,隨著車速的提高,振級不斷加大,車速每增加20·-1,振級約增加4.利用同樣的計算模型,分析計算了列車載客量對沿線環(huán)境振動的影響.計算了定員半數(shù)載客量12.3

15、和滿員載客量24.6兩種情況下的沿線振動振級.圖10給出了半載和滿載時與線路中心線不同距離各觀測點處的振級隨距離的衰減情況.由圖可見,列車載客量對振級的影響很小.    4 結(jié)論      上海市高架軌道交通明珠線引起環(huán)境振動的現(xiàn)場實測和數(shù)值分析的研究結(jié)論如下:(1) 高架軌道交通沿線環(huán)境振動的振級隨著與線路中心線距離的增大而衰減,振動高頻成分的衰減比低頻更快.(2) 根據(jù)實測結(jié)果的統(tǒng)計回歸分析,得出了上海高架軌道交通沿線環(huán)境振動振級的經(jīng)驗公式,經(jīng)驗公式與實測數(shù)據(jù)吻合良好.(3) 提出了高架軌道交通引起環(huán)

16、境振動的數(shù)值模擬模型和計算方法.總體系可分解成車-橋二維子結(jié)構(gòu)模型和框架-樁基礎(chǔ)-地基三維子結(jié)構(gòu)模型.(4) 將上述2個子結(jié)構(gòu)結(jié)合,對明珠線典型區(qū)段沿線的環(huán)境振動進行了實例計算.結(jié)果表明,三框架模型算得的沿線地面振動振級衰減規(guī)律比單框架模型更接近于實測經(jīng)驗公式.該模型可用于預(yù)測高架軌道交通引起環(huán)境振動的振級.(5) 利用三框架計算模型,分析計算了列車運行速度和載客量對沿線環(huán)境振動的影響.計算表明,車速每增加20·-1,振級約增加4.列車載客量對振級的影響很小. 參考文獻:1馬筠.我國鐵路環(huán)境振動現(xiàn)狀及傳播規(guī)律.中國環(huán)境科學(xué),1987,17(6):70-74.21007088,城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn).3張彌,夏禾.輕軌列車高架軌道系統(tǒng)的動力響應(yīng)分析.北方交通大