地铁运行对地面环境的振动影响

对于地基部分, 计算宽度 b = 150 m, 高度 h = 100 m。地铁车站在地基中的埋深 d i = 5 i m ( i = 1 , 2 , 3 , 4 , 5), 共建立 5 个模型。图 2 所示为地铁车站埋深 5 m 时划分网格后的计算模型。 1 . 2 材料本构模型选取 1 . 2 . 1 混凝土 由于主要考虑地面土体的振动情况, 且由地铁运行引起的地面振动幅度相对较小 , 列车运行过程中车站 结构一直处于小变形阶段 , 因此采用线弹性模型比较合理。混凝土材料参数取值为: 密度 = 2 643 kg /m , 杨氏 模量 E = 3 . 102 7 1 . 2 . 2 地基土体 土体是一种强非线性材料 , 文中选取比较成熟且应用广泛的 Duncan Chang 模型。该模型虽然以常规三 轴试验为基础, 但是已经考虑了加卸载模量的不同 , 并存在加卸载准则
第 26 卷 , 增刊 2010 年 12 月
世
界
地
震
工 程
W ORLD EARTHQUAKE ENG I N EER I NG
V o. l 26 , Supp. l D ec . 2010
文章编号: 1007 6069( 2010) 04 0310 05
地铁运行对地面环境的振动影响
孟宪春, 景立平, 孙海峰
313
方地面点为研究对象。按照式 ( 5)、 式 ( 6)将监测点的振动时程换算成分贝坐标, 并进行归一化处理, 得到该 点相对振动加速度级随输入频率的变化曲线, 图 5 表示埋深为 15 m 时, 监测点的振动随输入荷载频率的变 化曲线。从图可以看出, 地面点的振动与输入荷载的频率有明显的关系。存在某一特定频率, 当荷载以该频 率施加时, 地面点的振动最为强烈; 当荷载频率小于或者大于此特定频率时 , 地面点的振动将减小。因此 , 在 进行设计地铁时 , 可通过选址改变此特定频率 , 使其远离列车荷载的频率。 2 . 2 地铁车站不同埋深时地面点的振动规律 考虑埋深不同时地面的振动情况。输入前述实测加速度时程 , 按照式 ( 5) 、 式 ( 6) 将各个点的振动时程 换算成分贝坐标 , 并进行归一化处理 , 得到此范围内的地面点在地铁车站不同埋深时的相对振动加速度级, 如图 6 所示。
( 中国地震局 工程力学研究所 , 黑龙江 哈尔滨 150080)
摘要 : 为了分析地铁运行对地面环境的振动影响 , 以 ABAQUS 为 计算平台 , 建立了 不同埋深 下地铁车 站 -地基动力相互作用二维有限元 模型。输入 不同频 率的简 谐荷载 , 通过 数值计算 得到 了地面 点振 动与 输入荷载频率的关系 ; 输入实测 的列车 振动荷 载 , 得 到了地 铁车站 埋深不 同时 地面 点的振 动规 律 ; 改变土的力学参数 , 对结果进行对比分析 , 得到 了土的性质 对振动传播 的影响规 律。为地 铁车站 的选 址和地铁车站附近建筑物的隔震减震提供了依据。 关键 词 : 地铁 ; 地铁车站 ; 振动 ; A BAQU S 中图 分类号 : TU 435; P315. 97 文献标志码 : A
Ground vibration induced by m etro running
M ENG X ianchun , JING L iping, SUN H a ifeng
( I n stitute of Engin eeringM echan ics , C h ina E arthqu ake A dm in istrat ion , H arb in 150080, C hina)
[ 1- 3]
, 文中主要分析地铁通过横向尺寸较大的地铁车站对地面环境造成的影响。
目前, 关于地铁运行对地面环境振动影响的研究主要有 3 种方法。一是实地测试 , 文献 [ 4] 对北京地铁
收稿日期 : 2010- 09 - 01; 修订日期 : 2010- 09- 13
基金项目 : 中国地震局公益性行业科研专项课题项目 ( 200808022) ; 中央级公益性研究所基本科研业务费专项基金项目 ( 051800309) 作者简介 : 孟宪春 ( 1983- ) , 男 , 研究生 , 主要从事岩土地震工程方面的研究 . E m ai: l m engx ian chun2003 @ 163. com 通讯作者 : 景立平 ( 1963- ) , 男 , 研究员 , 博士生导师 , 主要从事岩土地震方面的研究 . E m ai: l j ing_ liping@ 126. com
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孟宪春 , 等 : 地铁运行对地面环境的振动影响
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1 号线进行了现场实测, 得到了环境背景振动、 公交车等地面车辆运行和地铁运行引起的地面振动规律; 文 献 [ 5]对上海某地铁附近的地面振动进行了现场实测并对结果进行了频谱分析。此种方法虽然直观易行, 但费时费力 , 且只能对已建成的地铁进行测试 , 通用性较差; 二是理论分析直接求解, 通常采用半无限空间弹 性波动理论对振源附近区域进行求解。但此法只能求解比较简单的模型 , 当场地条件或者边界条件比较复 杂时, 很难求出解析解 , 因此限制了其应用范围 ; 三是利用数值计算软件进行模拟 , 文献 [ 6] 利用数值模拟方 法分析了地铁交通对某实验楼的环境振动影响, 为实验楼和仪器台是否采取避振措施提供了依据。文献 [ 7] 采用有限差分软件对地铁诱发地面运动的衰减规律进行了研究, 得出了一些有意义的结论。此种方法 简便、 灵活, 在准确建立模型的基础上得到的结果也比较可信 , 是目前比较常用的方法。
[ 8] 3
10 Pa , 泊松比
10
= 0 . 2 。
, 故将其应用于动力分析在定性上
应该没有问题。该模型能够反映土体模量和围压之间的联系 , 并通过加 -卸载模量的不同反映土体变形的 不可恢复性。在文中 , 应用 Fortran 语言通过 VUMAT 接口将 Duncan Chang 模型植入到 ABAQUS 中去。参照 文献 [ 9] 中的研究成果 , 土体材料的参数取值见表 1 。
图 3 道床振动加速度时程曲线 F ig . 3 A cceleration ti m e histo ry curve o f ballast bed
图 4 道床振动加速度傅里叶谱 F ig . 4 A cceleration F our ie r spectrum of ba llast bed
K ur /K 4 . 326
1 988
1 . 3 人工边界选取 文献 [ 10] 表明 , 邻近地铁的地面振动响应主要表现为竖直方向的振动。为此 , 地基两侧采取约束水平 位移的处理方法。为了避免波动在模型底面来回反射对结果产生影响 , 模型底部采用粘性吸收边界
[ 11],为源自 312世界地
震
工
程
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- 6 [ 12 ]
: ( 5)
m / s ; a e 为振动加速度有效值 , 计算公式为: ( 6)
2
1 T 2 a dt T0
2 计算结果和分析
2 . 1 地面振动与荷载频率的关系 为了得到地面振动与输入荷载频率的关系 , 在地铁车站输入不同频率的加速度简谐荷载。取车站正上
增刊
孟宪春 , 等 : 地铁运行对地面环境的振动影响
此在底边界节点处施加切向和法向阻尼, 阻尼系数分别按照式 ( 1) 和式 ( 2)计算。
s
= Cs = Cp
( 1) ( 2)
p
其中,
s
为切向阻尼系数 ,
p
为法向阻尼系数 , 为土体材料的密度。 C s、 C p 分别为剪切波和压缩波在土体 G + 2G
中的传播速度, C s、 C p 的计算公式分别为: Cs = Cp = 其中, 为拉梅常数, G 为剪切模量。 ( 3) ( 4)
由于文中选择的土体模型为 Duncan Chang 模量, 土体在土中传播的速度与围压相关。波速近似取为在 自重作用下的初始波速进行计算。 1 . 4 地铁荷载的选择 地铁荷载的选择直接影响到计算结果的准确性。目前数值模拟方面的相关文章大都采用人为假设的激 振力作用于结构上, 这种假设与实际的观测结果存在一定差距。为了减少误差, 直接选用某列车通过时实测 的道床振动加速度时程, 假设列车荷载为作用在道床表面的沿轨道方向无限长同相位振动。考虑两列列车 同时通过的情况 , 将列车荷载以加速度方式直接施加到地铁车站上。选取的加速度时程曲线如图 3所示, 图 4 为其傅里叶谱。
Abstract : In order to study ground vibrations induced by m e tro running, m etro stat ion foundation dynam ic interac t io n 2 d i m ensio na l f in ite e le m ent mode ls w ith d ifferent statio n buria l depths are estab lished on the p la tfo r m of ABAQUS finite e le m ent so ft w are . W ith har m on ic loads w ith d ifferen t frequencies inputs , th e re latio nship betw een ground v ibration and in put load s frequency is obta in ed through nu m erical ca lculations . W ith actual tra in v ib ration lo ad inputs , th e ground vibration characterist ics under different stat ion burial depths are obta ined . W ith m echanical pa rameters o f soil changed , th e v ib ration propagation characterist ics in fluenced by so il itself are obtain ed . T he results pro vide som e usefu l references for both site select ion of m etro stations and v ib rat ion reduct ion of adjacent build ings . K eyword s : m etro ; m etro station ; v ibratio n ; ABAQUS
表 1 土体材料 Duncan Chang 模型参数取值 T ab le 1 Duncan Chang m ode l para m e ters of so ilm ate rial
( kg m
- 3
)
K 267
n 0 . 84
Rf 0. 77
c( Pa ) 9 000
( ) 34
Kb 263
nb 0 . 088 6
引言
随着我国经济的发展 , 城市人口越来越多。地面交通在大城市中已表现出运输能力的不足 , 越来越多的 城市把地铁建设作为优先发展的公共交通系统。地铁在运行中, 轮轨的不平稳接触会引起周围土体的振动, 从而造成对地面环境的影响。很多精密仪器对振动有着严格的要求, 超过一定标准后仪器的精度将受到影 响 , 严重时甚至会损坏仪器。而地表建筑物也可能由于频繁的振动造成装饰物的损坏和脱落, 给人们的日常 工作和生活带来不利影响。关于地铁在隧道中运行对地面环境的振动影响, 在很多文献中已经有过专门的 论述
1 模型的建立
1 . 1 模型的几何尺寸 文中所计算的地铁车站为两层三跨, 参照某实际工程结构, 详细的几何尺寸如图 1 所示。
图 1 地铁车站模型尺寸示意图 ( 单位 : mm ) F ig. 1 D i m ensions of m etro station model
图 2 地铁车站埋深 5 m 时的计 算模型示意图 F ig . 2 M esh d iv id ing of m ode lwhen burial depth equa ls to 5 m
1 . 5 地铁运行引起地面振动的评价方法 由于环境振动评价的频率范围是 1~ 80 H z, 影响范围比地震作用时的范围宽 , 简单只考虑峰值加速度 可能导致错误的结论 , 为此引用分贝坐标评价指标 , 来评价 Z 轴振动的振动舒适度, 其计算公式为 VA L = 20 lg ( a e /a 0 ) VAL 为振动加速度级 , 单位为 dB; a0 为基准加速度, a0 = 10 ae = 其中, a 为任一时刻的加速度 , T 为时间段长。