地鐵列車引起振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析

地鐵列車引起振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析

0地鐵軌道交通振動(dòng)影響規(guī)律近年來，中國(guó)已建立10多個(gè)城市，并已開始建設(shè)地鐵和輕軌。一些負(fù)面影響也層出不窮。其中，運(yùn)營(yíng)公交對(duì)環(huán)境的影響尤其顯著，尤其是公交在地面上運(yùn)營(yíng)的份額。目前,國(guó)際上已把振動(dòng)列為七大環(huán)境公害之一。據(jù)有關(guān)國(guó)家統(tǒng)計(jì),除工廠、企業(yè)和建筑工程外,交通系統(tǒng)引起的環(huán)境振動(dòng)(主要是引起建筑物的振動(dòng))是公眾反映中最為強(qiáng)烈的一項(xiàng)。為此,進(jìn)行地鐵列車運(yùn)行誘發(fā)振動(dòng)對(duì)地面以及地上建筑的影響規(guī)律的研究是很有必要的。目前,主要使用數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)進(jìn)行研究。在本文中,為了評(píng)估地鐵振動(dòng)對(duì)其上建筑物的影響,研究地鐵振動(dòng)沿垂直于地鐵線路方向及豎直方向的衰減規(guī)律,對(duì)某地建在地鐵線路附近的建筑物進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)時(shí),選址了兩棟裝有隔震裝置和一棟沒有安設(shè)隔震裝置的建筑物,并對(duì)建筑物的振動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,然后對(duì)記錄的振動(dòng)波和數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了分析與對(duì)比。1室內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置沒有安設(shè)隔震裝置的建筑物為6層樓,位于地鐵線路正上方略偏北,在樓梯間和層2的單元房室內(nèi)進(jìn)行了監(jiān)測(cè),室內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。由于室內(nèi)空間限制,將豎向和水平向振動(dòng)一起測(cè)量,在室外陽臺(tái)、客廳、廚房、衛(wèi)生間各安置了一個(gè)測(cè)點(diǎn)。在樓梯間測(cè)試時(shí),測(cè)點(diǎn)在樓梯的轉(zhuǎn)換平臺(tái)上。測(cè)試按照《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》(GB10071—88)規(guī)定的方法進(jìn)行。2地鐵列車的振動(dòng)對(duì)非分離振動(dòng)器的影響在監(jiān)測(cè)時(shí),記錄時(shí)間為600s。在該段時(shí)間有兩列地鐵列車通過,記錄下兩個(gè)完整的列車引起的振動(dòng)波。圖2為在室外陽臺(tái)觀測(cè)到的振動(dòng)波。2.1振動(dòng)加速度級(jí)計(jì)算方法該樓的長(zhǎng)向?yàn)闁|西向,短向?yàn)槟媳毕?線路的走向?yàn)闁|西向。在測(cè)量處的單元房?jī)?nèi),廚房離震源最遠(yuǎn),最近為室外陽臺(tái);客廳和衛(wèi)生間處于中間位置,離震源距離基本相同。各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度峰值見表1。從表中可以看出,在垂直于地鐵線方向,豎向振動(dòng)峰值差別較小,另外兩個(gè)方向的振動(dòng)峰值變化較大,但并不是離地鐵線越遠(yuǎn)加速度峰值越小。根據(jù)下面公式,將測(cè)得的豎向振動(dòng)加速度峰值轉(zhuǎn)換為振動(dòng)加速度級(jí)(VAL/dB)。可得客廳、陽臺(tái)和樓梯間的振動(dòng)加速度級(jí)均為為71.3dB,均超過國(guó)家規(guī)定的限值。式中:a為振動(dòng)加速度有效值/m/s2;a0為基準(zhǔn)加速度/×10-6m/s2。2.2水平振動(dòng)加速度變化規(guī)律在非隔震樓內(nèi),還在樓梯間內(nèi)安設(shè)了測(cè)點(diǎn),對(duì)地鐵列車振動(dòng)沿豎直方向的變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè),見表2。對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析后發(fā)現(xiàn),東西向和南北向的水平振動(dòng)加速度變化曲線與余弦函數(shù)相似,只是兩者的初始相位與波長(zhǎng)不同,如圖3所示。因此,隨著高度的增加,振動(dòng)峰值不是逐漸減小,這與文的測(cè)試結(jié)果基本一致(表3)。2.3振動(dòng)波的頻率根據(jù)非隔震樓室內(nèi)測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程和樓梯間測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程,做出其功率譜,如圖4和5所示。根據(jù)功率譜可以看出,該建筑物的振動(dòng)波頻率集中在22~40Hz之間。因?yàn)樵谠摋潣菦]有安設(shè)隔震裝置,這樣振動(dòng)波在向上傳播不會(huì)因隔震裝置的過濾而使某些頻率成分被濾掉。因此,可以判斷地鐵列車在建筑物中引起振動(dòng)波的主要頻率集中在22~40Hz之間。2.4振動(dòng)波的功率譜和頻率特性在測(cè)試時(shí),還對(duì)正在施工的兩幢底部安裝了阻尼器的樓房進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。這兩幢建筑物位于無隔震裝置的建筑物的北側(cè),分別為9層和10層,離地鐵線路較遠(yuǎn)。其中,9層建筑物安裝了三向阻尼器,10層建筑物安裝了兩向阻尼器。阻尼器安裝在建筑物框架柱與平臺(tái)柱的連接處。由于監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)波較小,只對(duì)其頻率特性進(jìn)行了分析。根據(jù)隔震樓內(nèi)的地鐵振動(dòng)加速度時(shí)程曲線,做出了其功率譜,如圖6所示。從其功率譜,可以看出隔震樓內(nèi)的振動(dòng)其頻率主要集中在20~40Hz,這與在非隔震樓監(jiān)測(cè)到的地鐵振動(dòng)波的主要頻率一致。另外,在地鐵振動(dòng)波未通過阻尼器時(shí),低頻波比較豐富;當(dāng)?shù)罔F振動(dòng)波通過阻尼器后,20~30Hz的頻率成分的功率譜降低,該區(qū)段的頻率成分被過濾。因此,隔震阻尼器裝置對(duì)地鐵振動(dòng)產(chǎn)生的波的阻隔作用不大。這是因?yàn)榈罔F引起的振動(dòng)波的頻率較高,主要集中在20~40Hz;而地震波的頻率較低,基本上在0.5~5Hz范圍內(nèi)。3地鐵系統(tǒng)振動(dòng)的頻率特征進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)后,使用FLAC2D對(duì)地鐵引起的非隔振樓的振動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。采用摩爾-庫(kù)侖模型模擬土體的本構(gòu)關(guān)系,各土層參數(shù)見表4;用線彈性模型模擬樁、大平臺(tái)、樓房等混凝土結(jié)構(gòu)的本構(gòu)關(guān)系,其物理力學(xué)參數(shù)見表5。計(jì)算模型如圖7所示,土層的長(zhǎng)為120m,高為40m。分析數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)果,并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比后,發(fā)現(xiàn):(1)平臺(tái)板上的加速度成余弦函數(shù)形式,如圖8所示。首先,隨著距鐵軌的距離增加,加速度值減小,到距鐵軌12m左右,達(dá)到最小值;然后,又隨著距鐵軌距離的增加而增加,在30m左右又達(dá)到峰值。這是因?yàn)榈罔F引起的振動(dòng)加速度值很小,不足以使平臺(tái)隨該波頻率振動(dòng),因此其振動(dòng)表現(xiàn)出平臺(tái)本身的頻率特性。(2)在樓梯間,振動(dòng)加速度峰值隨高度增加而增加。但是,層4~6處加速度有一個(gè)臺(tái)階,基本保持不變;然后,層6以上繼續(xù)增加,如圖9所示。這說明振動(dòng)加速度峰值不是隨層數(shù)增加而線性增加的,但是加速度數(shù)值與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)差異較大。(3)隨著離鐵軌距離的增加,樓板的加速度變化曲線與余弦曲線相似,并不是線性增加的,如圖10所示。這與從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到的規(guī)律相同。對(duì)地鐵運(yùn)行引起的振動(dòng)進(jìn)行了監(jiān)測(cè),然后對(duì)建筑物的振動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,并對(duì)記錄的振動(dòng)波與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析與對(duì)比,得出以下主要結(jié)論:(1)隨著高度的增加,地鐵列車引起的振動(dòng)峰值呈余弦函數(shù)形式變化。(2)地鐵列車運(yùn)行引起的振動(dòng)的主要頻率成分集中在22~40Hz之間。(3)安置在建筑物底部的隔震阻尼器對(duì)地鐵列車運(yùn)行誘發(fā)的振動(dòng)波的阻隔作用不大。(4)地鐵列車運(yùn)行引起的加速度值很小,不會(huì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞;但生活在建筑物內(nèi)的人群卻能明顯的感覺到振動(dòng)。因此,一