CN112861221A - 一种地铁临近古建筑振动控制结构的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种地铁临近古建筑振动控制结构的设计方法，包括如下步骤：(a)根据已运行的相似地铁路段，建立相应的地铁隧道‑土层有限元分析模型；(b)实测所述已运行的相似地铁路段中控制点振动响应，利用实测值来比较和校核步骤(a)中振动的计算值；(c)建立古建筑有限元分析模型；(d)实测古建筑动力特性，利用实测值来比较和校核步骤(c)中基本频率的计算值；(e)将古建筑和隔振层作为整体结构建模，比较调整隔振层的相关参数；以及(f)依据步骤(a)～(e)，建立隧道‑土层‑古建筑有限元分析模型，该设计方法可有效降低地铁振动对临近古建筑的影响，满足古建筑振动控制需求。
Description
技术领域
本发明属于建筑结构振动控制技术领域，具体涉及一种古建筑振动控制结构的设计方法
背景技术
目前作为城市主干线的地铁正在如火如荼的大规模建设，因客流以及线网等因素不得不靠近或穿越一些敏感的建筑物，其中就包括古建筑。而古建筑物由于千百年自然环境的影响，其结构耐久性已大幅度衰减，尤其对振动更加敏感。这种持久性的小幅振动虽然不会像地震一样瞬间引起结构严重损伤甚至倒塌，但是随着时间的推移，日积月累，也可能会因为振动次数巨大而产生疲劳损伤，进而导致古建筑的破坏。因此，既要保证实现地铁规划线路，又要保证古建筑的安全，是个日益突出的问题。
传统的振动控制方法一般会从振源减振控制、振动传播途径控制、受保护建筑物控制三方面单独或者综合考虑地铁振动的控制。但是这种方法目前还没有一套统一的标准和设计流程，一般都是依靠过往的经验进行控振设计或直接照搬相似已建工程方案，对象没有针对性，方法缺乏科学性和合理性，往往造成设计的方案达不到预期的振动控制效果，依然存在一定的安全隐患，建筑物可能仍然不能正常使用，甚至极个别的还需要返工以及再次设计，引起成本的急剧增加。因此，减小地铁振动对临近古建筑的影响，不仅需要一套安全有效、实施方便的振动控制技术措施，更需要科学合理的设计方法。
发明内容
为弥补上述现有技术的不足，本发明提出了一种地铁临近古建筑振动控制结构及设计方法，以满足古建筑振动控制需求，减轻地铁诱发振动对临近古建筑造成的不利影响。
根据本发明的一方面，提供一种铁临近古建筑振动控制结构的设计方法，其中，振动控制结构包括在地铁隧道结构(1)内设置的减振道床、在所述古建筑(2)底部设置的隔振层以及在所述地铁隧道结构和古建筑之间的土层中设置隔振桩(5)，所述方法包括如下步骤：
(a)根据已运行的相似地铁路段，建立相应的地铁隧道-土层有限元分析模型，施加列车荷载，计算隧道内壁以及土层表面控制点的振动响应；
(b)实测所述已运行的相似地铁路段中控制点振动响应，利用实测值来比较和校核步骤(a)中振动的计算值，确保地铁隧道-土层有限元分析模型能够有效计算地铁的环境振动；
(c)建立古建筑有限元分析模型，进行模态分析，计算结构各阶振型的基本频率；
(d)实测古建筑动力特性，利用实测值来比较和校核步骤(c)中基本频率的计算值，确保古建筑有限元分析模型能够有效反映结构的振动响应；
(e)将古建筑和隔振层作为整体结构建模，比较调整隔振层的相关参数，通过整体结构模态计算，确保整体结构整体振型质量参与系数最大化；以及
(f)依据步骤(a)～(e)，建立隧道-土层-古建筑有限元分析模型，进行地铁振动荷载验算，比较调整钢弹簧浮置板道床、隔振桩以及隔振层的相关参数，以满足古建筑振动控制标准。
根据本发明的实施方案，所述步骤(a)建模时有限元模型的人工截断边界可以采用弹簧阻尼边界。另外，所述步骤(a)建模时可以将实际土层简化为水平成层的土层，当不同土层的动力参数和土性相近时，宜将相邻层合并为一层建模分析；振源附近以及所关心的控制点范围内的有限元网格尺寸划分较细，随着距离的增加网格尺寸逐渐增加。
根据本发明的实施方案，所述步骤(a)施加的列车荷载是通过荷载数定法确定，即通过现场实测已开通地铁钢轨振动加速度，利用频谱分析的方法，得出钢轨振动加速度的数定表达式，然后再根据机车、车辆振动简化模型，建立轮系的运动方程，进而推导出列车动荷载。
根据本发明的实施方案，所述步骤(b)采用双层次校核步骤(a)的有限元模型，即在隧道结构内壁以及土层地表分别对隧道结构、土层结构的传递模型进行校准，以提高有限元模型计算的可靠性和准确度。
根据本发明的实施方案，所述步骤(b)校核的振动指标选自振动有效值、频谱中的主要贡献频带以及三分之一倍频程中最大有效值和其对应的频率。
根据本发明的实施方案，所述步骤(c)中古建筑有限元分析模型，木结构采用杆系模型，砖石结构采用实体模型，且结构材料在列车荷载作用下为弹性本构体。
根据本发明的实施方案，所述步骤(d)中，所述比较和校核包括各阶频率容许误差范围不超过15％。
根据本发明的实施方案，所述步骤(e)中，所述相关参数包括竖向刚度。
根据本发明的实施方案，整体结构整体振型质量参与系数大于50％。
根据本发明的实施方案，所述减振道床为钢弹簧浮置板道床(3)，所述隔振层包括橡胶隔振支座(7)和粘滞阻尼器(8)，所述步骤(f)中，钢弹簧浮置板道床调整的参数包括弹簧的刚度和布置间距；隔振桩调整的参数包括隔振桩的桩径、桩距、桩深、最大外轮廓长度以及布置排数；隔振层调整的参数包括橡胶隔振支座的截面尺寸以及布置间距，粘滞阻尼器的布置数量以及阻尼大小。
根据本发明的另一方面，提供一种地铁临近古建筑振动控制结构，该振动控制结构包括地铁隧道结构、古建筑、地铁隧道结构和古建筑之间的土层，所述地铁隧道结构内设置减振道床、所述古建筑底部设置隔振层，所述地铁隧道结构和既有古建筑之间的土层中设置隔振桩。
根据本发明的实施方案，所述减振道床为钢弹簧浮置板减振道床。
根据本发明的实施方案，所述隔振桩所在断面距离地铁隧道结构中心和既有古建筑中心距离相等，方向平行于既有古建筑外轮廓边界。
根据本发明的实施方案，所述隔振桩至少布置两排，且交错布置。
根据本发明的实施方案，所述隔振层包括橡胶隔振支座和粘滞阻尼器，隔振层的刚度中心与上部既有古建筑结构的质量中心一致。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、钢弹簧浮置板、隔振桩以及隔振层作为振动控制结构的核心，综合了振源减振、屏障隔振以及受振建筑加固三方面的优点，构成了一个完整的控振屏障，在各部分设计合理的基础上可以实现最优的振动控制效果。
2、提出了一套完整可行的振动控制设计方法，不仅可以定量分析古建筑结构的振动响应，而且可以对地铁临近古建筑进行振动控制。
3、满足古建筑维修加固不改变原有形态的基本要求。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：
图1为根据本发明一个实施方案的振动控制结构示意图；
图2为根据本发明一个实施方案的振动控制结构隔振桩平面布置示意图；
图3为根据本发明一个实施方案的振动控制设计方法流程图。
附图标记说明:
1地铁隧道结构； 2古建筑； 3钢弹簧浮置板道床；
4地铁； 5隔振桩； 6古建筑台基；
7橡胶隔振支座； 8粘滞阻尼器；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种地铁临近古建筑振动控制结构及设计方法作进一步阐述。以下的说明本质上仅仅是示例性的而并不是为了限制本发明。
本发明为了满足古建筑振动控制的要求，提供了一种地铁临近古建筑振动控制结构，如附图1，该结构包括地铁隧道结构1以及既有古建筑2，地铁隧道结构1内设置有钢弹簧浮置板道床3，钢弹簧浮置板道床3上行驶有振动源地铁4，在地铁隧道结构1与受振古建筑2地基中间还设置有隔振桩5，在受振古建筑2的底部与台基6之间设置隔振层，所述隔振层包括橡胶隔振支座7和粘滞阻尼器8。
所述隔振桩5至少为两排，且交错设置，不在同一排的三个相邻隔振桩之间构成等边三角形，也即，具有相等边长a，如附图2。
所述隔振桩5所在的中心断面距离地铁隧道结构1中心和既有古建筑2中心距离相等，方向平行于既有古建筑2外轮廓边界，两侧超出外轮廓边缘各不小于3m，竖直方向长度超出地铁隧道结构最低处不小于3m，桩径范围一般取0.4m～1.0m，桩距与桩径之比不大于2.5。
所述隔振层内的粘滞阻尼器8宜进行横向和纵向的双向布置，形成隔振层的刚度中心与上部既有古建筑2的质量中心一致。
振动控制结构应符合相关要求，其设计方法步骤如下，如图3所示：
(1)选取已运行的相似地铁路段，收集地质勘探资料，简化土层，确定土层参数，模型几何边界以及隧道形状位置，建立地铁隧道-土层有限元分析模型，模型中地层、轨道用实体单元模拟，隧道衬砌用壳单元模拟，隔离桩用板单元模拟，浮置板中的钢弹簧用弹簧单元模拟，随后施加列车荷载，计算隧道内壁以及土层表面控制点的振动响应；
建模时，可以将实际土层简化为水平成层的土层，当不同土层的动力参数和土性相近时，宜将相邻层合并为一层建模分析，合并后的土层参数取合并前相邻层参数的加权平均值。土层层数一般取3～8层。
建模时，地铁隧道中心距离模型几何边界的最小尺寸L符合下列关系式：
式中，CS是土层剪切波速，fmin是分析最小频率。
在模型边界处施加人工边界，人工边界可以采用弹簧阻尼边界，通过在截断的边界上设置连续分布的并联弹簧-阻尼系统实现等效模拟，其弹簧的弹性系数Ki和阻尼器的阻尼系数Ci确定方法如下：
法向边界
切向边界
式中，G为介质的剪切模量，ri是波源到边界点i的距离，Ai是边界点i所代表的的面积，cpi和csi为介质的压缩波速和剪切波速。
建模时，有限元网格的划分在振源附近以及所关心的控制点范围内可按式(4)确定网格尺寸l，其余位置的网格尺寸随着距离的增加网格尺寸逐渐增加。
式中，fmax是分析最大频率。
施加的列车荷载可以通过现场实测已开通地铁钢轨的加速度进行数定分析，建立地铁列车的振动简化模型，通过分析得到地铁列车振动模拟荷载，然后通过保谱变换，得到用于计算的列车荷载。将此荷载施加在轨道节点上，每一个节点施加的荷载是整列车通过的时间函数，通过控制列车行进方向各节点荷载施加时间，使荷载移动起来，相邻节点施加动力荷载的时间间隔可通过下式计算：
式中，v是列车运行速度。
(2)计算完成后可以采用双层次校核法，对隧道结构内壁以及土层地表的控制点振动响应计算结果与现场实测结果进行比较，用于校准的振动指标应重点关注振动有效值、频谱中的主要贡献频带、三分之一倍频中最大有效值及其对应的频率，确保地铁隧道-土层有限元分析模型能够有效预测地铁的环境振动；当计算结果与实测结果较大时，例如误差超过15％时，需要返回检查建模参数，重新计算。
(3)根据地铁临近古建筑，搜集结构勘察资料，确定结构参数，材料参数在列车荷载作用下一般选用弹性本构体，随后建立古建筑有限元分析模型；木结构古建筑一般采用杆系模型，柱和枋一般采用梁单元模拟，榫卯节点和斗栱采用弹簧单元模拟，砖石结构古建筑一般采用实体模型。模型建立后进行结构的模态分析，计算结构各阶振型的基本频率，一般选用前6阶。
(4)古建筑结构分析模型模态分析后，采用现场实测的动力特性对结构模型进行校核，各阶频率容许误差范围不超过15％；当数值结果与实测结果差异较大时，需要返回检查建模参数，重新计算。
(5)古建筑结构分析模型满足需求后，将古建筑和隔振层作为整体结构建模，隔振层可以采用弹簧-阻尼组合单元，不断比较调整隔振层的竖向刚度，通过整体结构模态计算，确保竖向模态整体结构模型质量参与系数大于50％。
(6)在隧道-土层模型、古建筑和隔振层整体结构模型校验准确的基础上，建立隧道-地层-古建筑有限元分析模型，进行地铁振动荷载验算，将古建筑结构控制点的振动响应与《古建筑防工业振动技术规范》的振动标准相比较；当计算结果与振动标准差异较大时，需要返回模型分别调整钢弹簧浮置板中弹簧的刚度以及布置间距，隔振桩的桩径、桩距、桩深、最大外轮廓长度以及布置排数，隔振层橡胶隔振支座截面面积以及粘滞阻尼器的布置数量和阻尼大小等相关参数，以满足振动控制标准。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种地铁临近古建筑振动控制结构的设计方法，其中，振动控制结构包括在地铁隧道结构(1)内设置的减振道床、在所述古建筑(2)底部设置的隔振层以及在所述地铁隧道结构和古建筑之间的土层中设置隔振桩(5)，所述方法包括如下步骤：
(a)根据已运行的相似地铁路段，建立相应的地铁隧道-土层有限元分析模型，施加列车荷载，计算隧道内壁以及土层表面控制点的振动响应；
(b)实测所述已运行的相似地铁路段中控制点振动响应，利用实测值来比较和校核步骤(a)中振动的计算值，确保地铁隧道-土层有限元分析模型能够有效计算地铁的环境振动；
(c)建立古建筑有限元分析模型，进行模态分析，计算结构各阶振型的基本频率；
(d)实测古建筑动力特性，利用实测值来比较和校核步骤(c)中基本频率的计算值，确保古建筑有限元分析模型能够有效反映结构的振动响应；
(e)将古建筑和隔振层作为整体结构建模，比较调整隔振层的相关参数，通过整体结构模态计算，确保整体结构整体振型质量参与系数最大化；以及
(f)依据步骤(a)～(e)，建立隧道-土层-古建筑有限元分析模型，进行地铁振动荷载验算，比较调整减振道床、隔振桩以及隔振层的相关参数，以满足古建筑振动控制标准。
2.根据权利要求1所述的地铁临近古建筑振动控制结构的设计方法，其特征在于，所述步骤(a)建模时有限元模型的人工截断边界采用弹簧阻尼边界。
3.根据权利要求1所述的地铁临近古建筑振动控制结构的设计方法，其特征在于，所述步骤(a)施加的列车荷载是通过荷载数定法确定，即通过现场实测已开通地铁钢轨振动加速度，利用频谱分析的方法，得出钢轨振动加速度的数定表达式，然后再根据机车、车辆振动简化模型，建立轮系的运动方程，进而推导出列车动荷载。
4.根据权利要求1所述的地铁临近古建筑振动控制结构的设计方法，其特征在于，所述步骤(b)采用双层次校核步骤(a)的有限元模型，即在隧道结构内壁以及土层地表分别对隧道结构、土层结构的传递模型进行校准，以提高有限元模型计算的可靠性和准确度。
5.根据权利要求4所述的地铁临近古建筑振动控制结构的设计方法，其特征在于，所述步骤(b)校核的振动指标选自振动有效值、频谱中的主要贡献频带以及三分之一倍频程中最大有效值和其对应的频率。
6.根据权利要求1所述的地铁临近古建筑振动控制结构的设计方法，其特征在于，所述步骤(c)中古建筑有限元分析模型，木结构采用杆系模型，砖石结构采用实体模型，且结构材料在列车荷载作用下为弹性本构体。
7.根据权利要求1所述的地铁临近古建筑振动控制结构的设计方法，其特征在于，所述步骤(d)中，所述比较和校核包括各阶频率容许误差范围不超过15％。
8.根据权利要求1所述的地铁临近古建筑振动控制结构的设计方法，其特征在于，所述步骤(e)中，所述相关参数包括竖向刚度。
9.根据权利要求1所述的地铁临近古建筑振动控制结构的设计方法，其特征在于，整体结构整体振型质量参与系数大于50％。
10.根据权利要求1所述的地铁临近古建筑振动控制结构的设计方法，其特征在于，所述减振道床为钢弹簧浮置板道床(3)，所述隔振层包括橡胶隔振支座(7)和粘滞阻尼器(8)，所述步骤(f)中，钢弹簧浮置板道床调整的参数包括弹簧的刚度和布置间距；隔振桩调整的参数包括隔振桩的桩径、桩距、桩深、最大外轮廓长度以及布置排数；隔振层调整的参数包括橡胶隔振支座的截面尺寸以及布置间距，粘滞阻尼器的布置数量以及阻尼大小。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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