CN102677793A - 地铁交通引起的邻近居住建筑振动实用分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种地铁交通引起的邻近居住建筑振动实用分析方法，从而为减小建筑物振动采取措施提供一种依据。其包括下列步骤：第一阶段：现场实测地铁隧道内道床振动加速度；第二阶段：建立道床-隧道衬砌-地层-建筑结构的整体二维平面应变模型；第三阶段：建立局部三维楼板计算模型，第四阶段：将第一阶段实测的道床振动加速度作为激励荷载采用频域-时域转换的分析方法求得建筑楼板多样本的加速度时程和振级；第五阶段：将振级计算结果与控制标准进行分析比较。本发明结合相关的建筑物振动的控制标准，为预测地铁交通引起的邻近居住建筑物振动提供一种可供选择的预估方法，从而为分析评价各种不同的减振措施提供一种实用的分析比较方法。

Description

地铁交通引起的邻近居住建筑振动实用分析方法

技术领域

本发明涉及土木工程领域，主要是针对近年来城市地铁轨道交通的飞速发展，地铁交通引起的环境振动通过周围地层向外传播，引起了周围建筑物的二次振动，对人类的工作生活环境和精密装置的正常工作等产生了很大影响。本发明提出一种地铁交通引起的邻近居住建筑振动的实用分析方法。 

背景技术

随着城市建设现代化进程的发展和城市规模的日益增大，地面道路交通与地铁、工程施工和工厂机械运行等各种人类活动产生的环境振动日趋严重，这些环境振动通过地层向外传播，引起了周围建筑物的二次振动，对人类的工作生活环境、精密装置的正常工作等产生了很大影响。国际上已把环境振动对建筑物的影响列为七大环境公害之一。像日本的东京、我国的北京、上海和广州等大城市，地面道路交通和地下轨道交通网日益密集，离建筑物的距离越来越近，加上交通密度的不断增加，使得交通荷载引起的环境振动问题日益严重。仅就目前上海来说，随着地铁线路的增多，地下网状结构越来越复杂。作为公交线路主脉的地铁，所过之处势必是人口密集区，地铁不可避免地要穿行于房屋密集区，因而其对周边环境的影响日益严重，如北京西直门至颐和园轻轨快速交通系统可能对附近的文化和科研机构产生振动影响、地铁南北中轴线可能对故宫等古建筑产生振动影响、京沪高速铁路沪宁段高速列车对苏州虎丘塔可能产生振动影响等。 

另外，人们对生活质量的要求也越来越高，即使是同样程度的振动，在过去可能不是问题，而现在越来越多地引起了公众的强烈反应。这些都对地面道路交通和地下轨道交通引起的建筑物振动的控制提出了新的要求，引起了世界各国研究人员的高度重视。 

由于地铁交通引发的建筑物振动受多种因素的影响，是一个极为复杂的振动传播过程，从地铁车辆自身振动开始，到地铁轨道、隧道道床、隧道结构、隧道周边地层条件、建筑基础和上部结构，如何较为合理的预估地铁交通引的建筑物振动是一个相当困难的且急需解决的问题。 

发明内容

本发明提出一种地铁交通引起的邻近居住建筑振动实用分析方法，从而为预测地铁交通引起的邻近居住建筑物振动提供一种实用的预估方法，进而为减小建筑物振动提供一种实用的分析方法。 

为了达到上述目的，本发明提出一种基于现场实测道床加速度的地铁交通引起的邻近居住建筑振动实用分析方法，应用于预估地铁交通引起的邻近居住建筑物的振动，其包括下列步骤： 

第一阶段：现场实测地铁隧道内道床振动加速度； 

第二阶段：选取典型的剖面，建立道床-隧道衬砌-地层-建筑结构的整体二维平面应变模型，求得建筑物各层板墙节点的传递函数。 

第三阶段：建立局部三维楼板计算模型，求得支承楼板的墙体振动时激发楼板内任意位置振动的传递函数； 

第四阶段：根据得到的传递函数，将第一阶段实测的道床振动加速度作为激励荷载采用频域-时域转换的分析方法求得建筑楼板的多样本的加速度时程和振级； 

第五阶段：将多样本振级结果与控制标准进行分析比较。 

本发明提出一种地铁交通引起的邻近居住建筑振动实用分析方法，结合相关的建筑物振动的控制标准，为预测地铁交通引起的邻近居住建筑物振动提供一种实用的预估方法，从而为分析评价各种不同的减振措施提供一种实用的分析方法。 

附图说明

图1所示为本发明较佳实施例的地铁交通引起的邻近居住建筑振动实用分 析方法流程图； 

图2所示为本发明较佳实施例的地铁隧道道床振动加速度现场实测示意图； 

图3所示为本发明较佳实施例的整体二维平面应变模型示意图； 

图4所示为本发明较佳实施例的局部三维楼板计算模型示意图； 

图5所示为本发明较佳实施例的频域计算分析框图。 

图2中各标号的含义：1、道床，2、隧道衬砌，3、地层，4、轨道，5、加速度传感器。图2仅为示意图，尤其是对地层进行了截取，并不表示实际地层的厚度以及水平方向的广度。 

具体实施方式

为了更好的了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。 

本发明提出一种地铁交通引起的邻近居住建筑振动实用分析方法，从而为预测地铁交通引起的邻近居住建筑物振动提供一种实用的预估方法，进而为减小建筑物振动提供一种实用的分析方法。 

为了达到上述目的，本发明提出一种基于现场实测道床加速度的地铁交通引起的邻近居住建筑振动实用分析方法，应用于预估地铁交通引起的邻近居住建筑物的振动，其包括下列步骤： 

第一阶段S1：现场实测地铁隧道内道床振动加速度； 

第二阶段S2：建立整体二维平面应变模型； 

第三阶段S3：建立局部三维楼板计算模型； 

第四阶段S4：采用频域-时域转换的分析方法，进行多样本分析； 

第五阶段S5：将计算结果与控制标准进行比较。 

以下将分别对各个阶段进行详细描述。 

第一阶段S1：现场实测地铁隧道内道床振动加速度。 

如图2所示，在道床1上布置多个加速度传感器5，通过现场实测确定地铁 道床的振动加速度 

作为数值模拟的激励荷载，确保了激励荷载的可靠性。这不同于传统技术中采用列车－轨道－道床模型计算的列车激励荷载，本发明提出的此方法确保了列车激励荷载与实际情况的一致性。 

第二阶段S2：建立整体二维平面应变模型。 

如图3所示，选取典型的剖面，建立道床1-隧道衬砌2-地层3-建筑结构7的整体二维平面应变模型。易于理解的是，在不同场合之下，建筑结构与道床具有差异的水平与高度距离。相应的，根据场合的不同，待分析的地层3具有不同的厚度与广度。地层3采用层状地基模型，图中以不同灰度表示地基的不同层，另外，根据不同位置地层3对建筑物7的影响程度不同，仅对必要的有效区域的地层3进行分析，即图中左上角网格区域的有限元区域31，模型边界采用无限元处理，即图中右侧以及底部区域32，避免了采用有限元模拟半无限地基介质时人工截断边界带来的问题；建筑结构7采用平面应变模型进行模拟，由于这种简化方式对楼板振动模拟具有较大的近似性，因而需要在第三阶段作进一步的局部楼板的补充计算分析。 

关于如何进行地层3的有限元与无限元区域的划分，还可以参考《地下空间与工程学报》2011年第S1期的论文《无限元边界在地铁引发环境振动分析中的应用》。 

根据图3所示的二维平面应变模型，可以通过谐分析求得频率为ω的单位简谐位移荷载6作用在道床1的表面时建筑物各层板墙节点70的传递函数H₁(ω)。谐分析已是成熟的技术，其并非本专利重点，因此不再赘述。 

通过在多个位置建立二维平面应变模型，得到建筑结构7上立体分布的众多板墙节点70的传递函数。 

第三阶段S3：建立局部三维楼板计算模型。 

如图4所示，所述的第三阶段根据建筑结构的特点，建立简化的局部三维楼板计算模型，同样通过谐分析求得频率为ω的单位简谐位移荷载6作用在板墙 节点(图中各个三角形所示)时楼板内任意位置的传递函数H₂(ω)。在本实施例中，局部楼板仅关联同层的板墙节点。 

第二阶段以及第三阶段的简化方法将实际三维问题简化为二维平面应变+局部三维楼板问题，大大减小计算的工作量，提高了计算效率。 

第四阶段S4：采用频域-时域转换的分析方法，进行多样本分析。 

根据得到的传递函数，将第一阶段实测的道床振动加速度作为激励荷载，采用频域-时域转换的分析方法求得建筑楼板的多样本的加速度时程和振级。 

所述第四阶段在第二阶段和第三阶段的基础上，将第一阶段实测的道床振动加速度 

作为激励荷载，采用频域-时域转换的分析方法求得建筑楼板多样本的振动时程 

和振级，得到建筑物楼板的振动情况，计算公式如式(1)所示，框图如图5所示；采用频域-时域转换的分析方法可考虑的频率范围宽，适合进行大量样本输入的模拟分析，可大幅度提高计算效率；计算采用结构阻尼（复阻尼），保证了阻尼比的频率无关性，避免了其它阻尼模型可能带来的计算误差。经实际工程案例分析表明计算结果与现场实测结果一致性较好。 

$\stackrel{\·\·}{y}\left(t\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}X\left(\mathrm{\ω}\right)H_1\left(\mathrm{\ω}\right)H_2\left(\mathrm{\ω}\right)e^{\mathrm{i\ωt}}\mathrm{d\ω}---\left(1\right)$

式中： $X\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}\stackrel{\·\·}{x}\left(t\right)e^{-\mathrm{i\ωt}}\mathrm{dt}$

第五阶段S5：将多样本振级结果与控制标准进行分析比较。 

如果不满足振动标准，需要采取有效的减振措施减小建筑振动。可采用本发明提出的简化分析方法，进行不同减振措施的分析比较。 

综上所述，本发明提出一种地铁交通引起的邻近居住建筑振动实用分析方法，结合相关的建筑物振动的控制标准，为预测地铁交通引起的邻近居住建筑物振动提供一种实用的预估方法，从而为分析评价各种不同的减振措施提供一种实用的分析方法。 

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各 种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。 

Claims (10)

1.一种地铁交通引起的邻近居住建筑振动实用分析方法，应用于预估地铁交通引起的邻近居住建筑物的振动，其特征在于包括下列步骤：

第一阶段S1：现场实测地铁隧道内道床振动加速度；

第二阶段S2：建立整体二维平面应变模型；

第三阶段S3：建立局部三维楼板计算模型；

第四阶段S4：采用频域-时域转换的分析方法，进行多样本分析；

第五阶段S5：将计算结果与控制标准进行比较。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一阶段S1中，在道床上布置多个加速度传感器。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第二阶段S2建立整体二维平面应变模型包括：选取典型的剖面，建立道床-隧道衬砌-地层-建筑结构的整体二维平面应变模型，求得建筑物各层板墙节点的传递函数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，地层采用层状地基模型。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，仅对有限元区域的地层进行分析，模型地层的边界采用无限元处理。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，建筑结构采用平面应变模型进行模拟。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过在多个位置建立二维平面应变模型，得到建筑结构上立体分布的众多板墙节点的传递函数。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，建立局部三维楼板计算模型，求得支承楼板的墙体振动时激发楼板内任意位置振动的传递函数。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，局部楼板仅关联同层的板墙节点。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，根据得到的传递函数，将第一阶段实测的道床振动加速度作为激励荷载采用频域-时域转换的分析方法求得建筑楼板的多样本的加速度时程和振级。

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