地鐵隧道不同軌道結(jié)構(gòu)形式對建筑物減振的仿真分析

馬 莉，宣 言，馬 筠，孫成龍

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081;2.中國鐵道科學(xué)研究院 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

目前，國家大力發(fā)展城市軌道交通以解決人們出行需求，隨著城市軌道交通的迅速發(fā)展，地鐵列車振動對建筑物的影響而引起的減振降噪等問題日益受到人們的關(guān)注。建立隧道—土層—建筑物的二維有限元模型，計算出不同軌道結(jié)構(gòu)形式下建筑樓層的振動加速度，分析不同軌道結(jié)構(gòu)形式下地鐵振動對地表鄰近建筑物振動響應(yīng)的影響。

1 工程概況

北京地鐵4號線規(guī)劃時，在距擬建地鐵隧道中心線274 m處有一存放精密儀器的建筑物，該樓為4層框架結(jié)構(gòu)，精密儀器存放室位于大樓4層。為了達(dá)到較好的減振效果，需要對比不同埋深時，采用整體道床和鋼彈簧浮置板道床時該樓的振動響應(yīng)。地質(zhì)勘測資料顯示，該樓附近土體大致可分為3層，地表至地下2 m為砂質(zhì)黏土，地下2 m至地下5 m為粉砂，地表5 m以下為砂質(zhì)黏土。

2 模型建立

計算采用了如下假定:①地鐵隧道線路方向的長度遠(yuǎn)大于橫斷面的尺寸，隧道沿線路方向的應(yīng)變可以忽略不計，問題簡化為平面應(yīng)變問題;②假定土體為各向同性彈性體;③土體與建筑物基礎(chǔ)界面滿足位移協(xié)調(diào)條件，兩者之間的連接采用共用節(jié)點的方式。

基于上述假定，應(yīng)用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行仿真計算。模型中土體總長度1 300 m(隧道中心線右側(cè)長度為800 m，左側(cè)長度為500 m)，土體厚度110 m，遠(yuǎn)大于建筑物橫向尺寸。模型采用平面應(yīng)變單元，單元最小尺寸為0.5 m，網(wǎng)格在隧道附近加密。土層兩端定義為自由邊界，基底定義為固定邊界。由于虛擬邊界的設(shè)置會引起振動波的邊界反射，因此將土層邊界處兩層單元的阻尼放大避免振動波的反射。

計算模型中隧道斷面尺寸外徑取6.0 m，內(nèi)徑取5.4 m，襯砌混凝土等級為 C30。考慮不同埋深的影響，隧道拱頂距離地面分別為20 m、25 m、30 m和35 m，隧道斷面網(wǎng)格圖如圖1所示，整體模型圖見圖2。

圖1 隧道斷面網(wǎng)格圖

圖2 整體模型圖

取大樓的一榀框架進(jìn)行仿真計算，柱截面尺寸0.5 m×0.5 m，梁截面尺寸0.35 m×0.20 m;計算時采用的參數(shù)見表1，其中材料阻尼采用瑞雷阻尼。

表1 建筑物材料參數(shù)

3 計算工況

由于該建筑內(nèi)的精密儀器直接放置在樓面上且對豎向振動較為敏感，應(yīng)避免豎向振動影響儀器的精度，因此計算時只考慮樓面的豎向振動加速度。由于當(dāng)時地鐵隧道的軌道結(jié)構(gòu)形式未最終確定，因此仿真計算時在隧道底部及邊墻施加已建地鐵不同軌道結(jié)構(gòu)形式運營條件下的實測豎向加速度，測試結(jié)果見表2。選用以下兩種計算工況:①工況1為以實測的整體道床區(qū)段邊墻豎向加速度數(shù)據(jù)作為荷載輸入;②工況2為以實測的鋼彈簧浮置板道床區(qū)段邊墻豎向加速度數(shù)據(jù)作為荷載輸入。圖3為實測隧道邊墻豎向加速度時程曲線。

表2 地鐵運營條件下的實際測試結(jié)果

圖3 實測隧道邊墻豎向加速度時程曲線

4 計算結(jié)果

4.1 不同道床結(jié)構(gòu)形式下各樓層加速度比較

隧道埋深為25 m時各樓層豎向振動加速度如圖4所示。在本文所取計算參數(shù)條件下，采用整體道床時各層樓面豎向加速度峰值皆在6.8×10-5m/s2左右，采用鋼彈簧浮置板道床時各層樓面豎向加速度峰值皆在1.3×10-5m/s2左右。由于同種道床結(jié)構(gòu)形式下各樓層豎向振動水平基本接近，且精密儀器存放于該大樓4層，因此后續(xù)計算只取4層樓面的豎向加速度進(jìn)行比較。

圖4 大樓各層樓面豎向加速度(隧道埋深25 m)

4.2 不同埋深條件下樓面豎向加速度比較

圖5為不同埋深條件下樓面豎向加速度，分析可知，隧道埋深相同時，鋼彈簧浮置板道床相對于整體道床可使地面建筑物豎向加速度明顯減小，采用鋼彈簧浮置板道床減振效果更佳。兩種軌道結(jié)構(gòu)形式下樓面的豎向加速度峰值見表3，埋深相同時鋼彈簧浮置板道床形式下的樓面振動加速度峰值比整體道床形式下減少約80%。整體道床結(jié)構(gòu)形式下樓面豎向振動加速度峰值隨埋深的增加而大幅減小，鋼彈簧浮置板道床形式下樓面豎向振動加速度峰值隨埋深增大減小緩慢，因此采用整體道床時，增加埋深對于建筑物豎向加速度的減小較為有利。

圖5 不同埋深條件下樓面豎向加速度

表3 建筑物樓面豎向加速度峰值

表4 地面點的豎向加速度峰值對比 m/s2

4.3 不同道床結(jié)構(gòu)形式下地面點加速度比較

由于建筑物距離擬建隧道中心線274 m，相對較遠(yuǎn)，豎向振動衰減較快，為了更好地反映不同軌道結(jié)構(gòu)形式下地鐵振動對不同范圍內(nèi)建筑物的影響，選取不同地面點的豎向加速度峰值近似代替對應(yīng)點建筑物的豎向加速度峰值。表4為不同距離地面點的豎向加速度峰值。

在本文所取計算參數(shù)條件下，隨著距離的增大，地面點的豎向振動加速度逐漸衰減。埋深相同時對于同一地面點，采用鋼彈簧浮置板道床與采用整體道床相比，可使豎向加速度峰值減小約80%。采用整體道床時，增加埋深對于豎向加速度峰值的減小較為有利。

5 結(jié)語

運用ABAQUS有限元軟件對北京地鐵4號線鄰近的某建筑物的振動響應(yīng)進(jìn)行了分析。分析結(jié)果顯示，對于地下隧道區(qū)段具有如下規(guī)律:

1)地鐵隧道埋深相同時，采用鋼彈簧浮置板道床相對于整體道床可使地面建筑物豎向加速度減小約80%。

2)采用鋼彈簧浮置板道床時，建筑物豎向振動加速度峰值隨埋深增大減小緩慢，而采用整體道床時，建筑物豎向振動加速度隨埋深增大而大幅減小。

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