某地鐵荷載激勵誘發臨近醫技樓建筑結構微振動響應分析

王帥昊 熊學祥

華南理工大學土木與交通學院

1 引言

地鐵激蕩起的振動是亟待解決的制約城市軌道交通發展的瓶頸問題之一，國內外都有地鐵列車微振動導致周邊建筑物破壞或建筑物內精密儀器受干擾的先例。關于地鐵列車振動的研究主要涵蓋了列車振源特點和振動傳播特性及衰減規律、建筑構件共振時的二次輻射噪聲、地鐵列車振動的定性預測方法與定量監測方案、減隔振技術措施等[1]。這一系列研究大都可以分解為地鐵振源、傳播路徑和周邊建筑設施三大子系統，可以針對每個子系統進行理論研究和實測探討后進行耦合分析[2]。研究地鐵振動對精密儀器的不利影響并尋求解決方案時，需要統籌協調雙方利益[3]。

本文以廣州市某地鐵線路及臨近醫技樓為研究對象（如圖1所示），在確定了列車振源的模擬方法、模型參數的基礎上，建立“列車鋼軌-列車道床-盾構隧道-土體-醫院建筑結構”的三維有限元分析模型并進行了數值模擬。現場的微振動監測與評估結果提供了部分的試驗驗證。該醫院建筑質子室（4 間，位于地下室夾層西側）內安裝有精密儀器質子儀，規定要求在指定區域內的設備基礎振動水平不能超過IEST-RP-CC012.1中的VC-A 標準（對應RMS 振動速度50mm/s～100mm/s，允許振動量為4Hz～8Hz 內加速度不超過260μg，8Hz～80Hz 內速度不超過50μm/s）。在建立模型前需要確定振動荷載的激勵頻率范圍和周圍土層的剪切波速[4]，因此在充分體現土體動力特征之余將土層簡化。

2 數值模擬與計算

2.1 數值模擬方法與有限元分析模型

假定材料為各向同性和連續分布，只考慮自重應力場；錨桿、隧道襯砌、鋼軌、樓板、樁柱等采用線彈性本構關系，各土層遵循Mohr-Columb 屈服準則。鋼軌、道床與土層等采用實體單元；醫院建筑結構的樓板、地下室外墻和剪力墻、盾構隧道管片等采用板單元，醫院建筑結構的柱、樁基礎等采用梁單元，隧道錨桿采用植入式桁架單元。整個模型共劃分為176353 個單元（如圖2所示），并合理施加邊界約束。

2.2 最不利工況下各質子室振動響應計算結果分析

圖1 項目平面布置圖及醫院質子室平面示意圖

圖2 MIDAS/GTS NX有限元分析模型示意圖

圖3 地鐵運營最不利工況下質子室結構低頻振動關系曲線

地鐵列車以最大允許運營速度120km/h雙向同時行駛狀態是最不利工況，計算結果如圖3所示。可見：最不利工況下地鐵列車誘發的質子室振動處于彈性范圍內，且建筑結構微振動主要表現為豎向振動。各動力響應點的振動峰值速度均遠低于質子儀容許的基礎振動上限值，合乎要求（未超過15μm/s，對應圖略）；但是部分動力響應點振動峰值加速度已經超過了質子儀容許的上限值，需要選用恰當的減隔振技術措施。

2.3 最不利工況下各質子室振動時程曲線分析

時程曲線（同樣以加速度為例）如圖4所示，可見：列車激勵引起質子室的振動響應都是隨機的。最不利工況下，考慮的單個周期范圍內有近九成時間內列車誘發質子儀的微振動都比較小（速度保持在3μm/s以下，加速度保持在150μm/s2以下），余下的時間會呈現一個明顯的波峰（其出現和消亡都比較迅速）。

3 微振動現場監測與評估

任何單一的理論解析和數值模擬都無法將所有客觀因素考慮在內。現場使用了12只高精度振動速度、加速度傳感器，主要測定自然振源引起的振幅為10-3mm～10-4mm、頻率為0.5Hz～20Hz的微振動波群。每個測點在測試時應同時測定2個水平方向和1 個垂直方向的地脈動，最終得到三向平均卓越周期值為0.188s。

4 結束語

（1）地鐵列車誘發的醫技樓質子室振動都處于彈性范圍內，其中豎向振動是地鐵列車運行引起周邊建筑結構微振動的主要形式。確定正確的振源模擬方法和恰當的模型材料參數，可以得到客觀公正的微振動效果評價。對于超過容許限值的情況要因地制宜、及時妥當選用減振降噪措施。

圖4 地鐵運營狀態最不利工況下質子室振動時程曲線

（2）理論研究與實際工程不能脫節，采取現場振動測試是最直觀明朗且真實準確地了解地鐵列車通過時振源激勵與敏感目標響應的手段，同時對于校核和評判解析解和數值解來說也是行之有效的一個辦法。