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1、高架轨道交通引起环境振动的实测与数值模拟的论文摘要:从现场实测和数值模拟2个方面分析研究上海高架轨道交通明珠线引起的环境振动实况、发生机理及振动传播规律.根据实测资料提出了预测明珠线引起环境振动振级的统计回归公式.建立了车-桥子结构和框架-地基基础子结构2个体系的分析模型及计算方法.计算了典型区段在列车通过时引起的沿线环境振动.数值模拟分析结果表明,用提出的分析模型和计算方法算得的环境振动振级与统计回归公式符合较好关键词:城市高架轨道交通;振动实测;车-桥体系振动分析;土-结构动相互作用我国第一条城市高架轨道交通线———明珠线已在上海建成并投入运行.城市轨道交通引起的环境振动是一种新
2、的城市公害.城市的环境振动除了会影响人体健康,干扰人们的正常生活及降低工作效率外,还会影响精密设备和仪器的正常使用,严重者甚至会对老旧建筑物造成损伤.城市轨道交通的建设在我国起步较晚,故关于城市轨道交通引起环境振动的实测和理论分析研究较少.20世纪80年代中期,我国曾对4个城市的铁路交通引起的环境振动实况进行过实测[1],并于1988年制定了《城市区域环境振动标准》[2].90年代末,在我国城市轨道交通进入快速发展阶段后,北方交通大学等利用二维有限元模型对高架轨道交通引起的环境振动进行过理论分析[3,4],但无实测资料印证.笔者从现场实测和数值模拟分析2个方面研究上海高架轨道交通——
3、—明珠线引起的环境振动的实况、发生机理及振动传播规律.1高架轨道交通引起环境振动的现场实测在明珠线沿线选择若干振动观测场地及与线路垂直的观测线,在列车通过时对各观测线上诸观测点的地面振动进行了实测.列车通过的车速约为60ｋｍ·ｈ-1.观测仪器为爱华电子研究所生产的ａｗａ6256ａ型压电晶体式环境振动分析仪,使用前与ａｌｔｕｓｋ2型强震仪进行了同时观测校验,验证了仪器的可靠性.1.1沿线地面振动的实测结果振动加速度测量的典型结果参见图1.图1ａ表示距离明珠线中心0,6,10,16,20ｍ处地面的竖向加速度时程.图1ｂ表示图1ａ加速度时程的傅立叶谱.图1ｃ表示图1ａ加速度时程的振级(ｖ,
4、ｄｂ)的频率分布,加速度振级的定义根据我国《城市区域环境振动标准》[2]为式中:αω为频率计权加速度有效值,ｍ·ｓ-2;α0为基准加速度值,10-6ｍ·ｓ-2.由图1可见,观测线上各测点的振动加速度、加速度时程的傅里叶谱和1/3倍频程中心频率处的振级随着与中心线距离的增加而衰减,且当频率愈高时衰减愈快.图1ｃ还给出了列车通过前业已存在的环境振动,即高架轨道交通以外的其他振源引起的振动(本文称本底振动)对总的振动振级的影响.由图可见,当频率高于20ｈｚ或距离ｒ小于10ｍ时,本底振动的影响很小.这是由于当不存在特定振源时,本底振动的主要频率范围低于20ｈｚ且强度不大.当有必要考虑本底振动
5、影响评价仅由高架轨道交通引起的环境振动时,在距离线路中心10～20ｍ范围内可根据实测结果将测得的总振级减少0.5～3ｄｂ[5].图2表示对应于不同距离测点1/3倍频程中心频率处的振级的分布情况.实测表明:频率小于16ｈｚ的振动随距离的衰减很小,其倍距离衰减量约为4ｄｂ.20～25ｈｚ的振动随距离的衰减较大,其倍距离衰减量约为8ｄｂ.而64ｈｚ和80ｈｚ的振动随距离衰减更大,其倍距离衰减量约为8～16ｄｂ.1.2振级ｖ的统计回归经验公式根据明珠线沿线约10个观测区段的振动实测结果,振级ｖ与距明珠线中心距离ｒ的对数值ｌｏｇｒ的关系接近于线性关系.参照鲍尼兹[6]关于弹性半空间土体在表面扰
6、力作用下地表振动衰减的一般公式及日本国铁技术研究所用于预测铁路高架区间振级的经验公式[7],对实测数据利用回归方法进行拟合,得到明珠线高架轨道交通沿线地面振动振级经验公式为式中:ｒ为观测点与线路中心的距离,ｍ.式(2)与实测结果的对比参见图3.由图可见,二者符合良好.2高架轨道交通引起环境振动的数值模拟分析高架轨道交通引起环境振动的数值分析模型是一复杂的系统,本文将总体分析模型分解为如图4所示的2个子结构分别求解.2.1总体分析模型的分解如图4所示,将总体分析模型分解为车-桥体系的子结构1和框架-桩基-土体系的子结构2,由子结构1可算得列车过桥时作用在框架顶部的动支座反力,将此动反力
7、作用在子结构2上并考虑框架结构-地基基础的动相互作用,即可算得高架线路沿线任意位置地面的振动.2.2子结构的分析模型在图5所示的车-桥体系子结构1的振动分析中,考虑了列车轨道不平顺及梁支座弹性的影响.如图所示,每一节车厢假设为刚体并有2个轮对、支承在转向架上由二系弹簧合并成的一系弹簧上.设车厢具有竖向沉浮运动ｚ和回转点头运动θ这2个自由度.设转向架的间距为ｓ,第ｉ个车轮至第1个车轮的距离为ｂｉ,列车速度为ｖ,考虑轨道不平顺的条件建立车体运动与转向架运动的关
