地下線路浮置板軌道減振特性仿真分析

趙留輝

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

到目前為止，國內(nèi)已有20個(gè)以上的城市地鐵采用了浮置板式軌道結(jié)構(gòu)，并取得了較好的減振效果［1-2］。對(duì)于浮置板軌道的減振特性，國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究，劉衛(wèi)豐等［3］采用三維周期性有限元—邊界元耦合的數(shù)值模型計(jì)算了地下線路采用鋼彈簧浮置板的減振效果，認(rèn)為浮置板軌道具有很好的減振作用，但對(duì)低頻段振動(dòng)沒有效果。李增光等［4］根據(jù)動(dòng)柔度法計(jì)算分析了浮置板軌道的隔振性能及其影響因素。郭亞娟等［5］結(jié)合ANSYS軟件和NewMark法分析了列車荷載作用下浮置板軌道結(jié)構(gòu)隔振效果。S．Gupta等［6］采用周期有限元—邊界元法預(yù)測了地下隧道區(qū)間采用浮置板的隔振效果。本文則聯(lián)合有限元和無限元法，建立了包括振源、傳遞路徑和建筑物的大耦合模型，詳細(xì)探討浮置板對(duì)環(huán)境振動(dòng)以及沿線建筑物振動(dòng)的控制效果。

1 工程概況

在規(guī)劃深圳地鐵6號(hào)線時(shí)，為了避免線路引起的環(huán)境振動(dòng)和噪聲對(duì)沿線居民生活、工作的影響，對(duì)比分析了目前通用的減振降噪措施的效果，浮置板軌道就是其中方案之一。國內(nèi)外目前使用的浮置板軌道按照支撐條件不同主要有橡膠支座浮置板軌道、鋼彈簧浮置板軌道和縱向浮置板軌道三大類，而其中又以鋼彈簧浮置板軌道應(yīng)用最為廣泛，故本文分析取鋼彈簧浮置板軌道，如圖1所示。普通整體道床軌道如圖2所示。依據(jù)工程勘察報(bào)告，為盡量準(zhǔn)確地反映該隧道區(qū)間的土體分布情況，將土體分成8層，取土體的參數(shù)如表1。建筑物分析模型以橫向距離線路中心線25 m處的一居民樓為原型，該居民樓為3層框架結(jié)構(gòu)，每層樓高3.5 m。隧道埋深12 m。

圖1 鋼彈簧浮置板軌道橫斷面示意

圖2 普通軌道橫斷面

2 模型建立與結(jié)果分析

本文通過建立車輛—軌道—隧道子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型和隧道—土層—建筑物子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，從而建立起車輛—隧道—地基土—地面建筑物整個(gè)體系的動(dòng)力分析模型，其中將車輛—軌道—隧道子系統(tǒng)求得的支座反力作為隧道—土層—建筑物子系統(tǒng)的激勵(lì)。為了克服有限元和無限元方法建模時(shí)的不足，同時(shí)發(fā)揮兩者建模時(shí)的長處，本文采用無限元與有限元耦合的模型。將地基土和建筑物組成的體系分為近場和遠(yuǎn)場兩部分，近場通過有限元進(jìn)行模擬，對(duì)遠(yuǎn)場的模擬采用無限元模擬。有限元與無限元的耦合模型實(shí)用性較強(qiáng)，可以防止反射波的干擾，獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果。具體求解時(shí)，對(duì)于車輛—軌道—隧道子系統(tǒng)分析通過ANSYS有限元軟件LS-DYNA模塊實(shí)現(xiàn)，隧道—土層—建筑物子系統(tǒng)分析通過ABAQUS有限元軟件實(shí)現(xiàn)。

表1 土體參數(shù)

2.1 模型與參數(shù)

深圳地鐵6號(hào)線設(shè)計(jì)運(yùn)營地鐵A型車，最高設(shè)計(jì)速度為100 km/h，A型車參數(shù)如表2所示。

應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件建立的車輛—軌道—隧道子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖3所示，表3列出了鋼彈簧浮置板軌道和普通整體道床軌道的主要參數(shù)。

承軌臺(tái)與基底之間沒有設(shè)置緩沖墊層(為剛性接觸)，為模擬基底動(dòng)態(tài)激勵(lì)，采用剛度足夠大(5×1011N/m)的彈簧模擬承軌臺(tái)與基底之間的連接。輸入軌道高低不平順激勵(lì)選用美國6級(jí)軌道譜，時(shí)域樣本如圖4所示。

圖3 車輛—軌道—隧道承力結(jié)構(gòu)模型

表2 地鐵A型車參數(shù)

應(yīng)用ABAQUS有限元軟件建立隧道—土層—建筑物子系統(tǒng)模型如圖5所示，其中的建筑物模型如圖6所示。采用有限元與無限元結(jié)合建模，模型的大小垂直于線路方向取為150 m，考慮對(duì)稱性，建立半邊模型，橫向取100 m，深度取35 m，網(wǎng)格大小近處取2.5 m，遠(yuǎn)處取4.5 m。以車輛—軌道—隧道子系統(tǒng)分析所提取的鋼彈簧處支座反力作為荷載激勵(lì)輸入模型進(jìn)行計(jì)算分析。需要說明的是，計(jì)算結(jié)果主要考慮了系統(tǒng)的低頻振動(dòng)響應(yīng)。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

由于該建筑物為框架結(jié)構(gòu)，故分析地下線路對(duì)其影響時(shí)，選取樓柱節(jié)點(diǎn)和樓板作為研究對(duì)象即可。本文在具體分析時(shí)，取1#柱的樓柱節(jié)點(diǎn)和每層樓板的中點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。

樓柱節(jié)點(diǎn)橫向即平行于軌向方向的振動(dòng)加速度振級(jí)如圖7所示。由圖7可以看出，采用普通整體道床軌道和浮置板軌道一樣，隨著距地面距離的增加，樓柱節(jié)點(diǎn)橫向振動(dòng)加速度逐漸增大，即節(jié)點(diǎn)距地面越高橫向振動(dòng)響應(yīng)越大。此外，采用浮置板軌道后，樓柱節(jié)點(diǎn)的橫向加速度振級(jí)明顯減小，且隨著距地面高度的增高，降幅基本一致，表明在輪軌動(dòng)力作用下，樓層橫向振動(dòng)為基頻振動(dòng)。其中采用普通整體道床軌道時(shí)，樓柱頂端節(jié)點(diǎn)最大橫向振動(dòng)加速度振級(jí)為78.18 dB。采用浮置板軌道時(shí)，最大橫向振動(dòng)加速度振級(jí)為67.40 dB。因此，可以認(rèn)為應(yīng)用鋼彈簧浮置板軌道相對(duì)普通軌道可以減小樓柱橫向振動(dòng)11 dB。

表3 軌道參數(shù)

圖4 軌道不平順時(shí)程曲線

圖5 隧道—土層—建筑物承力結(jié)構(gòu)模型

圖6 建筑物模型

圖7 樓柱節(jié)點(diǎn)橫向振動(dòng)加速度振級(jí)

樓柱節(jié)點(diǎn)縱向即垂直于軌向方向的振動(dòng)加速度振級(jí)如圖8所示。由圖8可以看出，隨著距地面凈高的增加，樓柱節(jié)點(diǎn)縱向振動(dòng)加速度逐漸增大，即節(jié)點(diǎn)距地面越高縱向振動(dòng)響應(yīng)越大。此外，與橫向振動(dòng)類似，采用浮置板軌道后，樓柱節(jié)點(diǎn)的縱向加速度振級(jí)明顯減小，且隨著距地面高度的增高，降幅基本一致，這也表明在輪軌動(dòng)力作用下，樓層縱向振動(dòng)為基頻振動(dòng)。采用普通整體道床軌道時(shí)，樓柱頂端節(jié)點(diǎn)最大縱向振動(dòng)加速度振級(jí)為56.92 dB，采用浮置板軌道后樓柱頂端節(jié)點(diǎn)最大縱向振動(dòng)加速度振級(jí)為46.03 dB。即應(yīng)用鋼彈簧浮置板軌道相對(duì)普通軌道可以減小樓柱縱向振動(dòng)10.9 dB。

圖8 樓柱節(jié)點(diǎn)縱向振動(dòng)加速度振級(jí)

綜合圖7和圖8可以看出，樓柱的縱向振動(dòng)加速度振級(jí)要明顯小于橫向。鋼彈簧浮置板軌道對(duì)于降低樓柱橫向振動(dòng)和縱向振動(dòng)的效果基本一致。

樓板垂向振動(dòng)加速度振級(jí)如圖9所示。由圖9可知，采用普通整體道床軌道和浮置板軌道一樣，隨著樓層的增加，樓板垂向振動(dòng)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，但是總體差異不大，各樓層樓板垂向振動(dòng)近似表現(xiàn)為恒定值。此外可以發(fā)現(xiàn)與普通整體道床軌道相比，采用浮置板軌道后樓板垂向加速度振級(jí)明顯減小，且各樓層降幅基本一致，約為11 dB。

圖9 樓板垂向振動(dòng)加速度振級(jí)

3 結(jié)論及建議

為了分析地下線路采用浮置板軌道后的減振效果，本文建立了車輛—軌道—隧道—地基土—地面建筑物大耦合動(dòng)力模型，采用無限元與有限元法對(duì)比分析了采用普通整體道床軌道和浮置板軌道兩種工況下，垂直于線路方向25 m處的建筑物的橫向、垂向和縱向三向振動(dòng)情況，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論和建議:

1)列車通過時(shí)，沿線建筑物會(huì)發(fā)生二次振動(dòng)，隨著距地面凈高的增加，樓板垂向振動(dòng)加速度近似表現(xiàn)為一個(gè)恒定值，樓柱節(jié)點(diǎn)的橫向、縱向振動(dòng)加速度呈遞增趨勢。此外，樓柱橫向振動(dòng)加速度振級(jí)大于其縱向加速度振級(jí)，樓板垂向振動(dòng)加速度振級(jí)則介于兩者之間，這表明列車運(yùn)行引起的建筑物水平方向上振動(dòng)主要為垂直于線路方向的橫向振動(dòng)，垂向振動(dòng)也不可忽視。

2)采用浮置板軌道后，樓柱節(jié)點(diǎn)的橫向加速度振級(jí)明顯減小，且隨著距地面高度的增高，降幅基本一致，表明在輪軌動(dòng)力作用下，樓層橫向振動(dòng)為其基頻振動(dòng)。鋼彈簧浮置板軌道相對(duì)普通軌道可以減小樓柱橫向振動(dòng)11 dB。

3)與樓柱節(jié)點(diǎn)的橫向振動(dòng)類似，采用浮置板軌道后，樓柱節(jié)點(diǎn)的縱向加速度振級(jí)明顯減小，且隨著距地面高度的增高，降幅基本一致。鋼彈簧浮置板軌道相對(duì)普通整體道床軌道，可以減小樓柱縱向振動(dòng)加速度振級(jí)10.9 dB。

4)采用普通整體道床軌道和浮置板軌道時(shí)，樓板垂向振動(dòng)規(guī)律基本一致，即隨著樓層的增加，樓板垂向振動(dòng)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，但是相差較小。與普通整體道床軌道相比，浮置板軌道可以降低樓板垂向加速度振級(jí)約11 dB。

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