CN109960859A - 地铁沿线建筑物隔振结构及有限元仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及地铁沿线建筑物隔振结构及有限元仿真方法，属于土木工程隔振减振技术领域。包括既有地铁隧道盾构结构以及建筑物，既有地铁隧道盾构结构内设置有钢弹簧浮置板减振道床，减振道床上铺设有钢轨，钢轨与减振道床通过扣件固定连接，在建筑物基坑底部和基坑侧壁设置有减振垫板，至少50％以上面积的基坑底部和侧壁铺设有减振垫板；同时，在地铁盾构结构与建筑物基坑中间还设置有隔离桩或混凝土隔离墙。本发明通过精确有限元分析模拟以及实测，其能够有效的解决地铁诱发振动对临近建筑物造成的振动和噪声，室内振动满足《城市区域环境振动标准》(GB10070‑88)要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种隔振结构，特别是地铁沿线建筑物隔振结构及有限元仿真方法，属于土木工程隔振减振技术领域。
背景技术
随着轨道交通的迅速发展，机车车辆与轨道结构之间的动态相互作用日益增强，由此而引发的邻近建筑物的振动问题也更加严重。列车沿轨道线路运行时，由轨道不平顺而激发的轮轨动荷载使车辆-轨道系统产生振动，振动经由道砟、路基向土体远处辐射传播，从而使轨道周边建筑物产生振动。列车、轨道结构、站房结构、上部建筑结构和周围土体的耦联振动属于大型复杂开放系统动力问题，其中轮轨相互作用是列车和工程结构的连接纽带，因此可以将整个系统分解为列车-轨道耦联子系统和轨道-站房结构-土体耦联子系统。通过列车-轨道耦联子系统得到作用在轨道结构的激振力，即振动源部分；再将激振力作用到轨道-站房-土体耦联子系统进行振动反应分析。
在地铁运营期间，产生的振动通过地铁基础发散传播至周边土体，再经过地基传播至建筑物基础及上部结构。上部结构在受到地铁诱发振动后会产生二次振动与噪声，影响正常使用及舒适性。因此有必要对地铁诱发振动进行分析并采取一定减隔振措施。
发明内容
为解决现有技术的上述不足，本发明提出了一种地铁沿线建筑物隔振结构及有限元仿真方法，用以解决地铁诱发振动对临近建筑物造成的振动和噪声影响及仿真问题。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下：
地铁沿线建筑物隔振结构，包括既有地铁隧道盾构结构以及建筑物，既有地铁隧道盾构结构内设置有道床，道床上铺设有钢轨，钢轨与道床通过扣件固定连接，在建筑物基坑底部和基坑侧壁设置有减振垫板，至少50％以上面积的基坑底部和侧壁铺设有减振垫板；同时，在地铁盾构结构与建筑物基坑中间还设置有隔离桩或混凝土隔离墙。
进一步地，所述隔离桩桩径0.5-1m，桩距0.5-1.3m，隔离桩水平方向两侧超出基坑边缘各大于5m，竖直方向超出地铁隧道盾构结构深度大于5m。
进一步地，所述隔离桩为两排，且交错设置。
进一步地，所述混凝土隔离墙宽1-1.5m，长50-80m，深25-50m，混凝土隔离墙水平方向两侧超出基坑边缘各大于5m，竖直方向超出既有地铁隧道盾构结构深度大于5m。
进一步地，所述基坑底部减振垫板厚度不小于25mm，基坑侧壁减振垫板厚度不小于20mm。
进一步地，所述减振垫板为橡胶减振支座、橡胶泡棉板。
进一步地，所述减振垫板与基坑底部和侧壁的石膏板相连接。
进一步地，在地铁盾构结构与建筑物基坑中间设置有隔振沟，所述隔振沟的深度根据地铁振动产生的表面波的波长确定，其深度不小于表面波的波长；所述隔振沟水平方向两侧超出基坑边缘各大于5m，竖直方向超过既有地铁隧道盾构结构深度大于5m。
进一步地，道床为钢弹簧浮置板减振道床。
上述地铁沿线建筑物隔振结构的有限元仿真方法，包括如下步骤
(一)基本假设
在建立有限元数值仿真模型前,做出如下简化假设为：
(1)假定土体在轨道交通较弱激励下为弹性本构体；
(2)将土体考虑为水平层状体系，每层土体由同一介质组成且各向同性；
(3)忽略土体颗粒的微观结构，认为土介质应力应变及物理位移量的空间变化可由连续函数描述；
(二)网格单元尺寸
采用动力响应有限元法进行半无限域动力分析时，由于问题的实质是应力波场的求解，合理的有限元模型须反映应力波传播的特征，能够捕捉介质中的波动效应，这就要求半空间土体的离散化要满足一定的条件；
由于波的传播速度是有限的，有限元离散网格中任一节点在某一时刻的响应由其邻近区域内的节点在前一时刻及其以前若干时刻的响应确定，有限元模型的离散化方法必须尽量体现连续介质体的波动特征；当采用离散模型代替连续介质时，弹性波的传播规律将发生一定的变化，这源于平面波在离散网格中的传播相速度不再等于他的物理波速，而与波的传播方向和频率有关，产生了离散模型的附加频散；同时，离散模型中的波存在截止频率，超过该频率的波动能量将不能传播，而以寄生振荡的方式混于低频波中；为保证计算精度与控制频散以及提高截止频率，当采用离散模型分析波动问题时，要求单元尺寸划分不宜过大；考虑上述因素的前提下，尽量减少不必要的计算量，采取疏密结合的方式，对模型关心范围内及关键位置的网格划分尺寸进行详细规划，以满足计算模型的精度要求；
(三)边界条件
采用有限范围内离散的模型来模拟半无限岩土体时，将在截取的模型边界上发生应力波的反射，从而干扰真实波场，导致模拟结果的失真；有限元模型采用能够同时模拟散射波辐射和地基弹性恢复性能的粘弹性人工边界条件；三维粘弹性动力人工边界通过在人工截断的边界上设置连续分布的并联弹簧-阻尼器系统来等效模拟；
其弹簧元件的弹性系数及粘性阻尼器的阻尼系数的计算公式如下式所示。
Cb＝ρc
式中：ρ和G分别表示介质的质量密度和剪切模量；R表示波源至人工边界的距离；c表示介质中的波速，法向人工边界波速取纵波波速，切向人工边界波速取剪切波波速；参数α根据人工边界的类型及设置方向取值；
粘弹性人工边界条件在有限元实际应用中，只需在有限元模型人工边界节点的法向和切向分别设置并联的弹簧单元和阻尼器单元，弹簧单元和阻尼器单元参数可按下式确定。
C＝ρc∑Ai
式中：Ai为人工边界节点所代表的边界。
(四)分析方法与计算步长
地铁振动数值计算采用瞬态动力学分析中的直接积分法，该方法是直接从一般的动力学方程出发，将所考虑的时间历程进行等时段离散划分，根据已知初始条件，即位移、速度、加速度、荷载，从前一个时刻计算下一个时刻的振动响应，可以得到结构在载荷作用下的位移、应力、应变、速度、加速度变量的时间历程，其中两个相邻时间点间的增量称为积分时间步长，有限元计算程序通常采用隐式newmark-β时间积分法，此外还包括显式中心差分法和隐式wilson-θ法；
直接积分法时间步长直接影响计算分析精度，在时域内求解振动波传播问题时，步长过大将损失高频成分，导致精度降低；步长过小将增加计算步数，求解效率下降，因此，权衡考虑频域后处理精度及计算机运行能力后，仿真模型计算时间步长取1/512s，最高分析频率200Hz以上，满足振级数据处理要求；
(五)采用MIDAS或ABAQUS进行仿真建模分析。
相对于现有技术，本发明具有如下技术效果：
本发明的地铁沿线建筑物隔振结构及有限元仿真方法，能够有效的衰减地铁振动对建筑物的影响，起到了很好的滤波作用，降低了建筑物的振动和噪音影响，满足了环境标准和人员舒适性。
附图说明
图1为本发明地铁沿线建筑物隔振结构示意图；
图2为地铁隧道盾构结构示意图；
图3为地基土体有限元模型俯视图；
图4为地基土体有限元模型侧视图。
具体实施方式
下面结合附图1-4对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
实施例1
如图1-2所示，某地一座建筑物，其距离地铁沿线小于7米，振动和噪音影响严重。为了解决这一问题，设计了一种地铁沿线建筑物隔振结构，包括既有地铁隧道盾构结构1以及建筑物2，既有地铁隧道盾构结构1内设置有钢弹簧浮置板减振道床3，减振道床3上铺设有钢轨7，钢轨7与减振道床3通过扣件固定连接，在建筑物基坑底部和基坑侧壁设置有减振垫板5，基坑底部和侧壁的70％铺设有减振垫板5。同时，在地铁盾构结构1与建筑物2基坑中间还设置有隔离桩4。隔离桩桩径0.8m，桩距1.3m，隔离桩水平方向两侧超出基坑边缘各6m，竖直方向超出地铁隧道盾构结构深度6m。隔离桩为两排，且交错设置。基坑底部减振垫板厚度30mm，基坑侧壁减振垫板厚度25mm。减振垫板采用橡胶泡棉板，且减振垫板与基坑底部和侧壁的石膏板相连接。此外，在地铁盾构结构与建筑物基坑中间设置有隔振沟6，隔振沟6水平方向两侧超出基坑边缘各6m，由于隔振沟6的深度根据地铁振动产生的表面波的波长确定，其深度不小于表面波的波长(本实施例中为20m)，其竖直方向超过既有地铁隧道盾构结构深度5.5m。
如图3-4所示，上述地铁沿线建筑物隔振结构的有限元仿真方法，包括如下步骤
(一)基本假设
在建立有限元数值仿真模型前，做出如下简化假设为：
(1)假定土体在轨道交通较弱激励下为弹性本构体。
(2)将土体考虑为水平层状体系，每层土体由同一介质组成且各向同性。
(3)忽略土体颗粒的微观结构，认为土介质应力应变及物理位移量的空间变化可由连续函数描述。
(二)网格单元尺寸
采用动力响应有限元法进行半无限域动力分析时，由于问题的实质是应力波场的求解，合理的有限元模型须反映应力波传播的特征，能够捕捉介质中的波动效应，这就要求半空间土体的离散化要满足一定的条件。
由于波的传播速度是有限的，有限元离散网格中任一节点在某一时刻的响应由其邻近区域内的节点在前一时刻及其以前若干时刻的响应确定，有限元模型的离散化方法必须尽量体现连续介质体的波动特征。当采用离散模型代替连续介质时，弹性波的传播规律将发生一定的变化，这源于平面波在离散网格中的传播相速度不再等于他的物理波速，而与波的传播方向和频率有关，产生了离散模型的附加频散。同时，离散模型中的波存在截止频率，超过该频率的波动能量将不能传播，而以寄生振荡的方式混于低频波中。为保证计算精度与控制频散以及提高截止频率，当采用离散模型分析波动问题时，要求单元尺寸划分不宜过大。考虑上述因素的前提下，尽量减少不必要的计算量，采取疏密结合的方式，对模型关心范围内及关键位置的网格划分尺寸进行详细规划，以满足计算模型的精度要求。
(三)边界条件
采用有限范围内离散的模型来模拟半无限岩土体时，将在截取的模型边界上发生应力波的反射，从而干扰真实波场，导致模拟结果的失真。有限元模型采用能够同时模拟散射波辐射和地基弹性恢复性能的粘弹性人工边界条件。三维粘弹性动力人工边界通过在人工截断的边界上设置连续分布的并联弹簧-阻尼器系统来等效模拟。
其弹簧元件的弹性系数及粘性阻尼器的阻尼系数的计算公式如下式所示。
Cb＝ρc
式中：ρ和G分别表示介质的质量密度和剪切模量。R表示波源至人工边界的距离。c表示介质中的波速，法向人工边界波速取纵波波速，切向人工边界波速取剪切波波速。参数α根据人工边界的类型及设置方向取值。
粘弹性人工边界条件在有限元实际应用中，只需在有限元模型人工边界节点的法向和切向分别设置并联的弹簧单元和阻尼器单元，弹簧单元和阻尼器单元参数可按下式确定。
C＝ρc∑Ai
式中：Ai为人工边界节点所代表的边界。
(四)分析方法与计算步长
地铁振动数值计算采用瞬态动力学分析中的直接积分法，该方法是直接从一般的动力学方程出发，将所考虑的时间历程进行等时段离散划分，根据已知初始条件，即位移、速度、加速度、荷载，从前一个时刻计算下一个时刻的振动响应，可以得到结构在载荷作用下的位移、应力、应变、速度、加速度变量的时间历程，其中两个相邻时间点间的增量称为积分时间步长，有限元计算程序通常采用隐式newmark-β时间积分法，此外还包括显式中心差分法和隐式wilson-θ法。
直接积分法时间步长直接影响计算分析精度，在时域内求解振动波传播问题时，步长过大将损失高频成分，导致精度降低。步长过小将增加计算步数，求解效率下降，因此，权衡考虑频域后处理精度及计算机运行能力后，仿真模型计算时间步长取1/512s，最高分析频率200Hz以上，满足振级数据处理要求。
(五)采用MIDAS或ABAQUS进行仿真建模分析。
实测结果分析：
表1为采用70％减振垫板5后的实测各楼层室内振动值。
表1
| 楼层 | 最大Z振级Vlzmax | 超标量(昼间)≥70dB | 超标量(夜)≥67dB |
| F1 | 65.4 | -- | -- |
| F2 | 64.4 | -- | -- |
| F3 | 64.3 | -- | -- |
| F4 | 64.3 | -- | -- |
| F5 | 64.2 | -- | -- |
| F6 | 63.6 | -- | -- |
| F7 | 63.8 | -- | -- |
| F8 | 63.7 | -- | -- |
| F9 | 63.7 | -- | -- |
| F10 | 63.2 | -- | -- |
| F11 | 62.9 | -- | -- |
| F12 | 62.8 | -- | -- |
| F13 | 62.8 | -- | -- |
| F14 | 62.7 | -- | -- |
| F15 | 62.7 | -- | -- |
| F16 | 63.0 | -- | -- |
| F17 | 63.2 | -- | -- |
| F18 | 63.2 | -- | -- |
| F19 | 63.1 | -- | -- |
| F20 | 63.5 | -- | -- |
| F21 | 63.1 | -- | -- |
| F22 | 63.1 | -- | -- |
| F23 | 64.4 | -- | -- |
| F24 | 64.4 | -- | -- |
| F25 | 64.5 | -- | -- |
由表1所示，基坑底部和侧壁的70％部分采用减振垫板5时，即将上述70％的减振垫板5设置在靠近地铁隧道盾构结构1一侧，其建筑室内振动均够满足《城市区域环境振动标准》(GB10070-88)中：“居民、文教区”昼间70DB、夜间67DB的标准限值要求，取得了很好的减振，降噪效果。
实施例2
本实施例中，采用混凝土隔离墙4替代实施例1中的隔离桩4，混凝土隔离墙4宽1.5m，长60m，深30m，混凝土隔离墙4水平方向两侧超出基坑边缘各大于5m，竖直方向超出既有地铁隧道盾构结构深度大于5m。其它结构设置及仿真方法同实施例1。通过实测，其同样能取得较好的减振、降噪效果。
上述实施例只是为了更清楚说明本发明的技术方案做出的列举，并非对本发明的限定，本领域的普通技术人员根据本领域的公知常识对本申请技术方案的变通亦均在本申请保护范围之内，总之，上述实施例仅为列举，本申请的保护范围以所附权利要求书范围为准。
Claims (10)
1.地铁沿线建筑物隔振结构，包括既有地铁隧道盾构结构以及建筑物，既有地铁隧道盾构结构内设置有道床，道床上铺设有钢轨，钢轨与道床通过扣件固定连接，其特征在于：在建筑物基坑底部和基坑侧壁设置有减振垫板，至少50％以上面积的基坑底部和侧壁铺设有减振垫板；同时，在地铁盾构结构与建筑物基坑中间还设置有隔离桩或混凝土隔离墙。
2.根据权利要求1所述的地铁沿线建筑物隔振结构，其特征在于：所述隔离桩桩径0.5-1m，桩距0.5-1.3m，隔离桩水平方向两侧超出基坑边缘各大于5m，竖直方向超出地铁隧道盾构结构深度大于5m。
3.根据权利要求2所述的地铁沿线建筑物隔振结构，其特征在于：所述隔离桩为两排，且交错设置。
4.根据权利要求1所述的地铁沿线建筑物隔振结构，其特征在于：所述混凝土隔离墙宽1-1.5m，长50-80m，深25-50m，混凝土隔离墙水平方向两侧超出基坑边缘各大于5m，竖直方向超出既有地铁隧道盾构结构深度大于5m。
5.根据权利要求1所述的地铁沿线建筑物隔振结构，其特征在于：所述基坑底部减振垫板厚度不小于25mm，基坑侧壁减振垫板厚度不小于20mm。
6.根据权利要求5所述的地铁沿线建筑物隔振结构，其特征在于：所述减振垫板为橡胶减振支座、橡胶泡棉板。
7.根据权利要求6所述的地铁沿线建筑物隔振结构，其特征在于：所述减振垫板与基坑底部和侧壁的石膏板相连接。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的地铁沿线建筑物隔振结构，其特征在于：在地铁盾构结构与建筑物基坑中间设置有隔振沟，所述隔振沟的深度根据地铁振动产生的表面波的波长确定，其深度不小于表面波的波长。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的地铁沿线建筑物隔振结构，其特征在于：道床为钢弹簧浮置板减振道床。
10.一种如权利要求1-9任一项所述地铁沿线建筑物隔振结构的有限元仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
(一)基本假设
在建立有限元数值仿真模型前，做出如下简化假设为：
(1)假定土体在轨道交通较弱激励下为弹性本构体；
(2)将土体考虑为水平层状体系，每层土体由同一介质组成且各向同性；
(3)忽略土体颗粒的微观结构，认为土介质应力应变及物理位移量的空间变化可由连续函数描述；
(二)网格单元尺寸
采用动力响应有限元法进行半无限域动力分析时，由于问题的实质是应力波场的求解，合理的有限元模型须反映应力波传播的特征，能够捕捉介质中的波动效应，这就要求半空间土体的离散化要满足一定的条件；
由于波的传播速度是有限的，有限元离散网格中任一节点在某一时刻的响应由其邻近区域内的节点在前一时刻及其以前若干时刻的响应确定，有限元模型的离散化方法必须尽量体现连续介质体的波动特征；当采用离散模型代替连续介质时，弹性波的传播规律将发生一定的变化，这源于平面波在离散网格中的传播相速度不再等于他的物理波速，而与波的传播方向和频率有关，产生了离散模型的附加频散；同时，离散模型中的波存在截止频率，超过该频率的波动能量将不能传播，而以寄生振荡的方式混于低频波中；为保证计算精度与控制频散以及提高截止频率，当采用离散模型分析波动问题时，要求单元尺寸划分不宜过大；考虑上述因素的前提下，尽量减少不必要的计算量，采取疏密结合的方式，对模型关心范围内及关键位置的网格划分尺寸进行详细规划，以满足计算模型的精度要求；
(三)边界条件
采用有限范围内离散的模型来模拟半无限岩土体时，将在截取的模型边界上发生应力波的反射，从而干扰真实波场，导致模拟结果的失真；有限元模型采用能够同时模拟散射波辐射和地基弹性恢复性能的粘弹性人工边界条件；三维粘弹性动力人工边界通过在人工截断的边界上设置连续分布的并联弹簧-阻尼器系统来等效模拟；
其弹簧元件的弹性系数及粘性阻尼器的阻尼系数的计算公式如下式所示：
Cb＝ρc
式中：ρ和G分别表示介质的质量密度和剪切模量；R表示波源至人工边界的距离；c表示介质中的波速，法向人工边界波速取纵波波速，切向人工边界波速取剪切波波速；参数α根据人工边界的类型及设置方向取值；
粘弹性人工边界条件在有限元实际应用中，只需在有限元模型人工边界节点的法向和切向分别设置并联的弹簧单元和阻尼器单元，弹簧单元和阻尼器单元参数可按下式确定：
C＝ρc∑Ai
式中：Ai为人工边界节点所代表的边界；
(四)分析方法与计算步长
地铁振动数值计算采用瞬态动力学分析中的直接积分法，该方法是直接从一般的动力学方程出发，将所考虑的时间历程进行等时段离散划分，根据已知初始条件，即位移、速度、加速度、荷载，从前一个时刻计算下一个时刻的振动响应，可以得到结构在载荷作用下的位移、应力、应变、速度、加速度变量的时间历程，其中两个相邻时间点间的增量称为积分时间步长，有限元计算程序通常采用隐式newmark-β时间积分法，此外还包括显式中心差分法和隐式wilson-θ法；
直接积分法时间步长直接影响计算分析精度，在时域内求解振动波传播问题时，步长过大将损失高频成分，导致精度降低；步长过小将增加计算步数，求解效率下降，因此，权衡考虑频域后处理精度及计算机运行能力后，仿真模型计算时间步长取1/512s，最高分析频率200Hz以上，满足振级数据处理要求；
(五)采用MIDAS或ABAQUS进行仿真建模分析。
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