客運專線引起鄰近開發(fā)建筑振動影響分析

鄭 玄 東

(上海申通地鐵集團有限公司，上海 201103)

目前隨著城市的不斷發(fā)展，鐵路客運專線沿線的房產(chǎn)開發(fā)項目逐漸增加。然而客運專線對周圍建筑的振動影響[1-4]，是該類房產(chǎn)開發(fā)項目面臨的問題。因此，對客運專線臨近建筑振動傳遞規(guī)律以及合理的減振措施研究顯得極為重要。

本文根據(jù)某地客運專線臨近建筑開發(fā)項目設(shè)計資料開展振動有限元仿真分析。首先對既有客運專線環(huán)境振動情況進(jìn)行了現(xiàn)場測試。測得了振動原始數(shù)據(jù)。根據(jù)工程設(shè)計資料、現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)及該物業(yè)開發(fā)項目地質(zhì)勘查資料建立有限元模型進(jìn)行仿真分析。

針對該物業(yè)開發(fā)項目提出路基基礎(chǔ)隔振方案，對臨近建筑振動傳遞規(guī)律以及減振效果進(jìn)行了對比仿真分析研究。

1 客運專線振動加速度現(xiàn)場實測

為了獲得客運專線既有振動情況，針對現(xiàn)狀進(jìn)行了振動加速度的現(xiàn)場實測。

現(xiàn)場實測工況下的列車通過時速為130 km/h，該測試區(qū)段軌道結(jié)構(gòu)類型為碎石道床，混凝土長枕，彈條Ⅰ型扣件。振動加速度測試現(xiàn)場測點布置如圖1所示。其中本次站臺測點距離最近的線路中心線為7.5 m。

通過對比站臺和鋼軌測點的振動加速度頻譜分析結(jié)果，如圖2，圖3所示，可以看出：該處列車所引起的結(jié)構(gòu)振動中，高頻振動成分只出現(xiàn)在鋼軌上，經(jīng)過碎石道床以及路基土體的共同衰減過后，垂向振動加速度主要集中在200 Hz以內(nèi)，其卓越頻率為50 Hz～100 Hz。因此，根據(jù)實測7.5 m站臺處的測試結(jié)果，該處客運專線對鄰近開發(fā)建筑物垂向振動加速度的影響主要集中在200 Hz范圍以內(nèi)。

對實測垂向振動加速度進(jìn)行1/3倍頻程分析，站臺測點的VLzmax值為90.17 dB。

2 半空間有限元模型

根據(jù)該物業(yè)開發(fā)項目工程設(shè)計及地質(zhì)勘查資料，建立了半空間有限元模型[5,6]。斷面結(jié)構(gòu)見圖4，模型斷面建立了包含碎石道床的軌道結(jié)構(gòu)，分層地基有限元結(jié)構(gòu)，以及該斷面內(nèi)鄰近客運專線的兩棟高層建筑物，同時按照設(shè)計資料中的樁基布置，在有限元模型中考慮了樁基對振動仿真的影響。

本文有限元模型阻尼采用Rayleigh阻尼，根據(jù)現(xiàn)場實測的振動加速度分析結(jié)果，設(shè)定阻尼計算自振頻率為1 Hz和80 Hz，有限元模型采用粘彈性人工邊界單元消除振動反射波。

2.1 客運專線減振方案確定

針對現(xiàn)場實測振動情況，結(jié)合工程實際，為適應(yīng)客運專線碎石道床現(xiàn)狀，提出一種基礎(chǔ)隔振方案。

基礎(chǔ)減振原理是在路基基礎(chǔ)上建立鋼筋混凝土槽型結(jié)構(gòu)，槽型結(jié)構(gòu)上方為正常的碎石道床軌道結(jié)構(gòu)，同時在槽型基礎(chǔ)和路基之間設(shè)立彈性支撐結(jié)構(gòu)。

在路基面進(jìn)行適當(dāng)?shù)拈_挖，能夠有效的保證既有軌道結(jié)構(gòu)類型及軌道結(jié)構(gòu)高度，同時能夠根據(jù)實際情況增加槽型基礎(chǔ)或碎石道床厚度，匹配不同彈性支座剛度，從而增加隔振基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，線路坡度適應(yīng)性以及減振效果等方面現(xiàn)場需求。

本文為分析基礎(chǔ)隔振的減振效果，建立了有限元模型，圖5為鋪設(shè)好道砟及鋼軌后整體有限元模型。

2.2 列車荷載確定

本文結(jié)合現(xiàn)場鋼軌實測振動加速度，采用數(shù)定表達(dá)式的方法反算客運專線輪軌力，計算結(jié)果如圖6所示。

3 有限元仿真及結(jié)果分析

選取建筑N1和N2不同樓層臥室房間的樓板中部及端部位置，對振動傳遞規(guī)律及隔振基礎(chǔ)的減振效果進(jìn)行分析研究。

3.1 時域和頻譜分析

圖7,圖8表明，采用基礎(chǔ)隔振結(jié)構(gòu)后，能夠有效的降低20 Hz～60 Hz范圍內(nèi)的振動加速度。

根據(jù)仿真分析結(jié)果可以看出，客?？瓦\專線引起N1振動加速度主要集中在60 Hz以內(nèi)；N2振動加速度集中在1 Hz～20 Hz范圍內(nèi)，對距離較近的N1的影響較大。

3.2 分頻振級分析

對N1一層樓板端部及中部的仿真結(jié)果進(jìn)行1/3倍頻程分析，結(jié)果如圖9所示。建筑N1在9 Hz附近分頻振級達(dá)到了80.5 dB左右。

采用基礎(chǔ)隔振結(jié)構(gòu)時，建筑N1一層樓相對碎石道床結(jié)構(gòu)減小了17.3 dB。

3.3 不同樓層總振級VLzmax分析

對仿真結(jié)果N1和N2各樓層樓板不同位置進(jìn)行總振級分析，得到了不同樓層的VLzmax值，兩個建筑不同樓層位置的VLzmax如圖10,圖11所示。N1和N2各樓層VLzmax隨著樓層的增高不斷變大：N1在碎石道床下增幅為11.1 dB較N2的增幅6.3 dB大4.8 dB。N1建筑在碎石道床工況下以及基礎(chǔ)隔振結(jié)構(gòu)工況下樓板中部的振動均大于樓板端部的振動，最大差值為7.4 dB；N2各樓層樓板端部與樓板中部位置振動相差不大。

普通碎石道床工況下，N1各樓層VLzmax最小值位于1層樓板端部位置，值為77.1 dB；最大值位于21層樓板中部，值為88.1 dB。采用基礎(chǔ)隔振結(jié)構(gòu)后：N1一層樓板端部位置VLzmax能夠減少17.1 dB；N1第21層樓板中部位置處值為71.7 dB,減少了16.4 dB。

表1 各樓層VLzmax最值 dB

表1為建筑N1以及N2樓板振動VLzmax極值，結(jié)合圖10，圖11以及表1可知，普通碎石道床工況下建筑N1的振動較大，采用基礎(chǔ)減振之后，能夠有效的降低臨近建筑N1各樓層的振動水平。

4 結(jié)語

本文通過某物業(yè)開發(fā)項目工程現(xiàn)場振動實測，半空間有限元模型對比仿真分析，得到如下結(jié)果：

1)該物業(yè)開發(fā)地段，客運專線鋼軌垂向加速度，頻譜范圍較大，頻率范圍在2 000 Hz以上，在鄰近的7.5 m站臺處振動VLzmax為90.17 dB，垂向振動加速度主要集中在100 Hz以內(nèi)。

2)客運專線鄰近建筑物仿真分析結(jié)果表明，隨著樓層的增高，客運專線列車經(jīng)過引起的鄰近高層建筑物的振動增大，N1在碎石道床下增幅為11.1 dB。N1建筑樓板跨中位置處振動大于樓板端部位置處的振動，而N2建筑兩處振動相差不大。

3)根據(jù)動力有限元模型仿真結(jié)果可以得出，客運專線列車經(jīng)過時對鄰近建筑物N1的影響較大，普通碎石道床工況下結(jié)構(gòu)振動VLzmax最小值為77.12 dB，最大值為88.14 dB；對N2的影響較小，VLzmax最大值為61.26 dB。

4)本文采用的基礎(chǔ)隔振結(jié)構(gòu)方案，能有效的減少客運專線列車運行時對鄰近建筑N1所產(chǎn)生的振動影響。采用基礎(chǔ)隔振結(jié)構(gòu)之后，N1建筑一層樓振動VLzmax值為60.13 dB，隨著樓層增高后增大為71.99 dB，能夠滿足相關(guān)規(guī)范要求。

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