行驶列车引起的周边建筑物振动分析

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【摘要】随着我国城市化进程以及铁路、高速铁路、城市地铁建设的加快，列车和城市建筑物之间的距离越来越短，尤其铁路房建设施，大部分直接分布在线路两侧，列车经过时产生的振动极大的影响了建筑物的结构稳定，由列车引起的振动需要得到分析和控制，以保证周边建筑物的稳定和安全。本文将从以下几个方面来分析行驶列车引起的周边建筑物振动。

【关键词】行驶列车；建筑物；振动

中图分类号：TD229 文献标识码：A

一、前言

目前，我国城市建筑物的分布越来越密集，城市用地的紧张导致了在列车振动范围内有大量建筑物存在。因此，我们分析行驶列车引起的周边建筑物振动，并对建筑物做针对性结构设计，便于更好的解决如何避免振动对建筑物造成损害。

二、振动影响评价标准

世界各国对城市区域环境振动已有明确规定,中国也有《城市区域环境振动标准》(GB10070-88),适用于连续发生的稳态振动、冲击振动和无规则振动,对各种区域按其对振动不同的要求划分为6个等级,规定评价量为被测区域的铅垂向振动量以及各个等级区域的环境振动控制标准。依据其标准，铁路干线两侧（距每日车流量不少于20列的铁道外轨30米外两侧的住宅区）铅垂向Z振级标准值为80db。

三、振动的产生、传播规律及影响因素

对我国几个典型城市的调查结果表明,交通车辆引起的环境振动水平较高.根据铁路部门的实测,距线路中心线30m附近的振动可达80dB，距线路越近，振动越大，铁路沿线很多房屋内，列车经过时，人都能感到明显振感。地铁列车通过时,在地面建筑物上引起振动的持续时间大约为10s.在一条线路上,高峰时,两个方向1h内可通过30对列车或更多,振动作用的持续时间可达到总工作时间的15%~20%.最近在我国某城市地铁车辆段附近进行了现场测试,结果表明,当地铁列车以15~20km/h的速度通过时,地铁正上方居民住宅的振动高达85dB,如果列车速度达到正常运行的70km/h时,其振级可能还要大得多.

在轨道交通系统中,振动的产生是由于运行列车对轨道的冲击作用产生振动,并通过结构(路基、隧道基础和衬砌或桥梁的墩台及其基础)传递到周围的地层,进而通过土壤向四周传播,诱发了附近地下结构以及建筑物(包括其结构和室内家具)的二次振动.其影响因素主要有列车速度、车辆重量、隧道基础和衬砌结构类型、轨道类型、是否采用了隔振措施等,此外列车与轨道的动力相互作用也会加大振动作用.有调查表明,地铁列车在隧道内高速运行时,距轨道水平距离1.5m处,振级平均值为81dB;24m处,振级平均值为71.6dB.这说明随着距轨道水平距离的增加,振级将不断衰减.

四、列车引起的地面振动分析

由于列车振动产生的波形在传播时要受到铁路车辆的类型、车速、路基情况、地基土特性等许多复杂因素的影响,从理论上较难研究它的规律,所以本文采用了实测的方法。

测量采用的是随机信号与振动分析系统(CRAS)。在轨道旁A、拟建场地距轨道近边B(距轨道为50m)、拟建场地中心C(距轨道约65m)这三个测点,记录过往的8趟货车、8趟客车引起的地面振动加速度,包括水平方向和垂直方向的,采样频率均为128Hz,时间历程为8s。由于对建筑物振动产生影响的以水平加速度为主,在后面的模拟分析中,我们从中选取了三组水平加速度数据作为模拟输入。考虑到频率对振动特性的影响,对原始数据进行快速傅立叶变换(FFT),得到频域上的幅值谱。图1是三组加速度时程曲线及其对应的频谱。

从图1右侧的频谱图中可以看到列车引起的地面振动频率主要集中在5—15Hz的低频范围内。这是因为列车动荷载主要由移动列车在轨道上的重力加载形成,一般的城市内铁路,车速低于100km/h,其卓越频率在10Hz以下。

采用了五种不同高度的钢筋混凝土结构,分别为2层、8层、10层、16层及24层。五种结构均为两跨,柱距4m,底层层高3.5m,其他层层高3m。基础埋深h随楼层数的增加而增加,图2是具体结构框架示意图。

每层面积30m2,活载加静载为3kN/ m2。柱的混凝土标号为C30,弹性模量30kN/m m2,梁的混凝土标号为C25,弹性模量25kN/mm2。混凝土密度均为25kN/m2。所有的梁截面均为230mm×400mm,柱截面如表1所示。由于在振幅较小的情况下,结构为弹性响应,所以可以不考虑钢筋的作用。

对模型的实现以及动力运算是在通用有限元软件ANSYS中进行的。梁单元和柱单元均模拟为BEAM3,基础单元模拟为PLANE42,底部施加三向约束。在计算中假定各层楼板是平面内无限刚度的。由于实测的激励频率相对较高,所以在分析中考虑了结构振动的高阶模态。表2是五种结构模型的前五阶自振频率及α,β值。研究对结构的横向振动进行分析。

楼层的最大位移是沿高度单调增加的,最大位移均发生在顶层。而速度沿高度的变化就有所不同,在图4中可以看到:2层和8层结构的楼层最大加速度基本上是沿高度单调增加。而10层、16层及24层结构均有明显的拐点。这种情况在图5中表现得更加明显。综合图4及图5,我们可以得出下列结论:在层数较少的情况下,速度及加速度沿高度单调增加;在高层结构当中,由列车引起的小幅振动,楼层的速度及加速度包络线呈心形状,且最大值不一定发生在顶层。可以从地面振动的占优频率与楼层的自振频率的关系来分析得到的结果。

从图1及表2中可以看出:地面振动a的占优频率在0—5Hz左右,当结构层数较低(2—10层)时,每阶的自振频率增幅较大,三阶以后基本上超过5Hz,结构振动主要以低阶振型为主,反映出来的响应随楼层的线性增加。这是符合建筑物趋向在其低频下振动的规律的,因为低阶振形所需的能量比高阶振形要小。而当结构层数较高时(16、22层),高低阶自振频率的增幅较小,5阶以下自振频率小于或者接近5Hz,高阶振型组合到结构的振动中,因此速度及加速度沿高度变化不再呈单调。对比五种结构的加速度最大幅值,很明显的是随层数的增加而降低的。而且2层结构的幅值要比其他四种结构大很多,这是因为a的峰值频率为约3Hz,而2层结构的基频为3.16Hz,可能引起共振的产生。

从以上分析可以看出动力响应与振动频率有着密切的关系。许多关于结构,人体感受以及敏感仪器的振动限值都是在给相应的频率下给出的。

五、行驶列车引起的振动控制及建筑物防振动破坏设计

1、采用焊接长钢轨,可减少因列车通过钢轨接头所产生的振动。根据地铁设计规范,轨道交通的正式线路应铺设无缝轨道,实际减振效果可达到5dB～10dB。

2、采用钢轨打磨技术,以控制轨道的不平顺度,保证轮轨接触面的良好状态,从而获得良好的减振效果。实践表明,钢轨打磨后,在振动频率为8Hz～100Hz范围内,振动可下降4～8dB(A)。

3、采用弹性扣件。轨道的弹性，尤其是刚性基础整体道床结构的弹性，主要取决于扣件的弹性，国内外在此方面做了大量研究工作，研制并开发了满足不同减振降噪要求的扣件。

4、与线路平行方向设置隔振沟。中铁四院曾对某工区房屋做隔振沟隔振测试，测试结果表明，宽、深度超过1米的隔振沟，能有效阻断振动传播。在实际应用中，可将隔振沟与路基排水沟功能综合设置。

5、对建筑物进行隔振设计。香港葵青剧院是一座建筑面积13390平方米，高37.85米的钢筋混凝土结构，并附有一层地下室。由于在该剧院附近有一条拟建的铁路，为了防止列车通过时对剧院的振动影响，在剧院演奏厅的设计和施工过程中，采用了弹簧垫隔振新技术，即利用设立在建筑物基础上弹簧的弹性变形来承担建筑物的荷载以及来自外部的振动。其弹簧隔振系统的安装施工于1999年12月完成，经检测，工作性能良好，其隔振作用已达预期效果。

6、振动依靠介质传播，某些介质，如砂土，能够减缓振动传播速度及能量。铁路沿线房屋地基施工如需换填不良土时，应优先采用砂垫层。

7、对建筑物本身进行必要的结构设计和构造设计。行驶列车引起的振动随不及地震作用释放的能量大，但其属于周期性长期作用，已成为周边建筑物主要破坏因素。多层建筑最大结构位移、速度、加速度随高度单调增加。经观测，铁路周边多层建筑在檐口下、顶层纵横墙交接处、山墙、及窗上角出现裂缝，这与我们实测得出的结论相符。对这些关键部位按抗震构造设计并进一步加强，如加密构造柱、墙体拉结筋，设置封闭的钢筋混凝土窗套，砌块与砂浆的强度等级按规范要求相应提高，对铁路沿线框架房屋按提高一级进行抗震设计等。总之，以上措施对铁路沿线房屋的结构安全稳定是十分有作用和必要的。

六、结束语

行驶列车引起的振动已经成为了危害周边建筑物安全的一个主要的因素，在今后的研究中，我们还要更加深入研究振动对建筑物的破坏机理及相应的应对设计。

【参考文献】

[1]聂志红,阮波,李亮.秦沈客运专线路堑段基床结构动态测试分析[J].振动与冲击.2005(02)

[2]刘汉夫.秦沈线桥上接触网钢柱横向振动试验研究[J].振动与冲击.2005(01)