地鐵運行引起鄰近建筑振動的有限元分析

黃江華 韓全吉 董世釗

摘 要：為研究地鐵列車運行引起鄰近建筑物振動的影響，本文主要利用ABAQUS數值模擬方法，以Dload子程序模擬列車荷載，建立多種建筑模型，計算并提取相應的振動加速度數據，對比分析塔式樓與板式樓的振動特征，并分析框架結構中結構墻設置對建筑振動的影響。分析結果表明，高層建筑中，隨著建筑層數的增加，振動強度呈現先增大、再衰減、后增大的趨勢;框架結構設置較多結構墻，將為振動波的傳播提供更多介質，加劇了框架結構受地鐵運行引起的振動反應。

關鍵詞：地鐵;建筑振動;數值模擬;框架結構

中圖分類號：TU311.3;U231 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）29-0093-03

Abstract： In order to study the influence of the vibration of adjacent buildings caused by subway operation， this paper mainly used the ABAQUS numerical simulation method to simulate the train load with the Dload subroutine， established a variety of building models， calculated and extracted the corresponding vibration acceleration data， compared the vibration characteristics of tower buildings and slab buildings， and analyzed the influence of structural walls in frame structures on building vibration. The analysis results show that in high-rise buildings， as the number of floors increases， the vibration intensity presents a trend of first increase， then attenuation and then increase; the frame structure is equipped with more structural walls， which will provide more media for the propagation of vibration waves， and aggravate the vibration response of the frame structure caused by subway operation.

Keywords： metro;building vibration;numerical simulation;frame structure

隨著城市化發展進程的有序推進，國內城市軌道交通運營量逐年增加。軌道交通具有快捷、運載量大等優點，但是會對周邊環境造成振動污染。近年來，交通振動污染得到更多關注，使得交通振動問題的研究成為熱門。軌道交通振動的產生原因復雜，其傳播與衰減也受多種因素影響。

本文采用數值模擬方法對地鐵運行引起的鄰近建筑振動進行預測，探究建筑振動特征，為建筑減振設計提供建議。

1 隧道-地層-建筑有限元模型

1.1 模型參數選取

本研究以鄭州地鐵某段為背景，建立有限元模型。取隧道軸向為y軸，鉛垂方向為z軸，建筑長邊平行于隧道方向。

根據實際土層信息，在模型中化簡土體為兩層，土層參數如表1所示。地鐵隧道埋深H為9.0 m，直徑D為6.0 m，隧道襯砌厚為0.35 m。為滿足計算精準度要求，地鐵振動問題建模時，模型隧道中心到模型邊界的距離應達到（4～5）D[1]。

地鐵運行振動引起周邊土體的應變遠小于10-5，此時土體處于彈性狀態，本文所建立的地基土體模型采用彈性模型[2]。隧道及建筑各構件參數如表2所示。

設置土體側面均為無限元單元，并施加法向約束，轉角為轉角無限元，以防止邊界上由于波的反射造成誤差。

由于模型將隧道管片簡化為整體，賦予管片剛度折減，設彈性模量為27 600 MPa。

1.2 列車移動荷載模擬

研究地鐵周邊環境振動及地層、建筑沉降等動力學問題時，首先需要確定列車移動荷載的模擬方法。本文將列車荷載簡化為一激勵力函數，其由靜荷載和多個簡諧波組合而成[3-5]：

式中，[P0]為車輪靜載;[P1]、[P2]、[P3]分別為三種不平順管理條件下的振動荷載幅值（[i]=1，2，3）;[t]為荷載作用時長。

令列車簧下質量為[M0]，對應振幅為：

式中，[v]為車輛行駛速度;[Li]為振動波長。

根據相關資料，取[P0]=70 kN，列車簧下質量[M0]=750 kg，取不平順振動波長和相應典型矢高為[L1]=10.0 m，[a1]=5.0 m;[L2]=2.0 m，[a2]=0.6 m;[L3]=0.5 m，[a3]=0.1 m，[v]=80 km/h。利用ABAQUS子程序Dload使荷載移動得到實現。施工的地鐵列車荷載如圖1所示。

2 計算結果與分析

地鐵線路常與住宅建筑較近，所帶來振動下的舒適度值得探究。

模型參數設置如下：框架結構共有9層，層高為3.5 m。建筑橫縱均為4跨，梁截面尺寸為500 mm×300 mm，樓板厚度為120 mm，填充墻厚度設置為240 mm，剪力墻厚度設置為370 mm。建筑與隧道中心水平距離設置為15 m。

建筑模型如圖2所示。

上述模型固有主要頻率分別為0.542、5.018、2.029、7.165 Hz，表明結構墻的合理運用使得框架結構自振頻率增大、自振周期減小，則結構抗側移剛度增強[6-7]。

設置動力分析步驟并施加列車荷載，提取四類建筑模型各樓層對應測點位置的振動加速度級，如圖3所示。

圖3數據表明，垂直于地鐵隧道水平方向（x方向）和沿地鐵隧道水平方向（y方向）上，全框架結構及框架-核心筒結構建筑振動強度隨樓層上升先略有衰減后逐漸上升，而框架-填充墻結構和筒中筒結構振動強度平緩上升，表明結構墻為振動波在建筑結構中的傳遞提供更多介質;四種建筑結構豎向振動加速度均保持在65～73 dB，水平振動加速度級介于48～63 dB，且每種建筑在豎直方向上的數值均大于對應水平方向數值，表明四類建筑結構振動傳遞特征均有豎向振動強度明顯大于水平方向上的振動強度，而豎向振動加速度級變化幅度較小，且隨樓層上升呈現先增再減后增的現象;對比Z振級，在同一測點上，全框架結構較其余三者低1～5 dB，表明結構墻的加入加劇了框架結構在鄰近地鐵運行所造成的振動反應，對框架結構抗震起到一定負面作用。

3 結論

對比全框架結構、框架-填充墻結構、框架-核心筒結構、筒中筒結構模型固有頻率得知，結構墻的運用使得框架結構剛度有所增強，結構抗側移剛度增強，而筒中筒結構則會造成建筑底部薄弱。結構墻為振動波在建筑結構中的傳遞提供更多介質，加劇了框架結構在鄰近地鐵運行所造成的振動反應，對框架結構抗震起到一定負面作用。

參考文獻：

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