高架輕軌運(yùn)行激勵(lì)下建筑物隔振有限元分析

陳景濤

(武漢理工大學(xué) 理學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

高架輕軌作為一種城市交通方式，因具有明顯的優(yōu)勢(shì)而在城市建設(shè)中得到了迅猛發(fā)展，給城市居民的生活帶來(lái)很大方便。但高架輕軌運(yùn)行所引發(fā)的振動(dòng)與噪聲問(wèn)題，一直受到人們的關(guān)注。高架輕軌列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)通過(guò)橋梁傳至地面后，再由土壤傳遞到建筑物基礎(chǔ)，引起建筑物振動(dòng)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)噪聲；建筑物振動(dòng)時(shí)也可能激起門(mén)窗、設(shè)備等振動(dòng)發(fā)出聲音，產(chǎn)生二次結(jié)構(gòu)噪聲，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。武漢某擬建劇場(chǎng)東臨京漢大道和軌道交通一號(hào)線(xiàn)，周?chē)肼曊駝?dòng)污染源主要是京漢大道上道路交通噪聲、軌道交通一號(hào)線(xiàn)的噪聲以及由于軌道交通運(yùn)行振動(dòng)而引起的劇場(chǎng)內(nèi)的結(jié)構(gòu)噪聲。環(huán)評(píng)報(bào)告[1]指出：劇場(chǎng)內(nèi)的結(jié)構(gòu)噪聲將超過(guò)33dB(A)，不滿(mǎn)足噪聲評(píng)價(jià)曲線(xiàn)NR-25小于30dB(A)的規(guī)定；道路交通噪聲振動(dòng)對(duì)劇場(chǎng)基本沒(méi)有影響。因此，有必要采取有效的隔振措施，降低劇場(chǎng)內(nèi)的結(jié)構(gòu)噪聲，保證劇場(chǎng)正常使用。

目前較常用的隔振裝置有隔振彈簧系統(tǒng)、鋼板與橡膠交互夾層相接的多層橡膠支承墊、以及多層橡膠支承墊與阻尼器組合使用。香港葵青劇院等采用隔振彈簧系統(tǒng)來(lái)防止列車(chē)通過(guò)時(shí)對(duì)劇院的振動(dòng)影響，以上隔振裝置對(duì)隔振材料有較高的要求，價(jià)格較貴且維護(hù)費(fèi)用也高。鋼筋混凝土連續(xù)墻的隔振原理是利用不同參數(shù)介質(zhì)界面上振動(dòng)波的反射、透射特性，即在非均勻介質(zhì)中，隨著不同介質(zhì)材料參數(shù)的不同，透射、反射的能量量值也不同，材料的阻尼吸收系數(shù)也不同，改變了振動(dòng)的傳遞，從而到達(dá)減振的目的。鋼筋混凝土連續(xù)墻隔振措施不僅施工方便、造價(jià)低，而且?guī)缀醪恍枰S護(hù)，隔振效果也可滿(mǎn)足工程要求[2～5]。

1 工程概況

劇場(chǎng)地上二層及地下一層共三層，其中地上一層設(shè)置 810 座的中型劇場(chǎng)，地上二層置 300 座的小型劇場(chǎng)，地下一層安排設(shè)備用房、功用房和部分地下停車(chē)位?？偨ㄖ娣e 7600 m2。根據(jù)對(duì)劇場(chǎng)周邊環(huán)境振動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得到了與352號(hào)橋墩對(duì)應(yīng)的六個(gè)測(cè)點(diǎn)的振級(jí)(測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖1)。隔振措施采用鋼筋混凝土連續(xù)墻，隔振墻距地下室外墻0.7 m。為了分析隔振墻的隔振效果，先對(duì)實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境振動(dòng)現(xiàn)狀進(jìn)行數(shù)值模擬，作為評(píng)價(jià)隔振墻隔振效果的初始狀態(tài)，再對(duì)采取隔振措施后的狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，并與初始狀態(tài)進(jìn)行比較，來(lái)評(píng)價(jià)隔振墻的隔振效果[6～9]。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置

2 環(huán)境振動(dòng)現(xiàn)狀的有限元分析

2.1 土層參數(shù)

土層參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層參數(shù)

2.2 有限元分析模型

有限元分析模型為以352號(hào)墩為中心，長(zhǎng)為80 m，寬為25 m，深度為22 m(圖2)，采用 Solid45八節(jié)點(diǎn)三維等參元進(jìn)行離散，設(shè)置鋼筋混凝土連續(xù)墻部位的網(wǎng)格與隔振效果分析時(shí)一致。其中z向19～22 m范圍、x向-30～-40 m范圍和x向30～40 m范圍用來(lái)模擬遠(yuǎn)場(chǎng)對(duì)計(jì)算模型的影響。z向22 m平面采用固支，x向-40 m平面和x向40 m平面采用法向位移約束，y向-12.5 m平面和y向12.5 m平面采用法向位移約束。

圖2 有限元分析模型

將采集得到的橋墩測(cè)點(diǎn)處的加速度時(shí)程數(shù)據(jù)作為原始的激勵(lì)輸入，根據(jù)牛頓第二定律換算為激勵(lì)力。

F=ma

(1)

式中，m為一跨梁的質(zhì)量與一根橋敦的質(zhì)量之和；a為加速度時(shí)程數(shù)據(jù)。

6個(gè)測(cè)點(diǎn)處的加速度時(shí)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。根據(jù)實(shí)際測(cè)得的振動(dòng)加速度時(shí)程曲線(xiàn)，進(jìn)行離散Fourier變換得到頻域內(nèi)對(duì)應(yīng)于各頻率的幅值|A(J)|，其中：

(2)

式中，a(k)為測(cè)得的振動(dòng)加速度時(shí)程，單位m/s2；N為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

圖3 環(huán)境振動(dòng)下6個(gè)測(cè)點(diǎn)處的加速度時(shí)程曲線(xiàn)

由于|A(J)|對(duì)應(yīng)各頻率的振動(dòng)是簡(jiǎn)諧振動(dòng)，所以可得對(duì)應(yīng)于各頻率振動(dòng)加速度的有效值ari：

(3)

振動(dòng)計(jì)權(quán)加速度值為：

(4)

式中，ci為對(duì)應(yīng)于該頻段的計(jì)權(quán)因子；ari為第i個(gè)頻段各頻率處的振動(dòng)加速度有效值。

振動(dòng)級(jí)VL(簡(jiǎn)稱(chēng)振級(jí)，單位為dB)為：

(5)

6個(gè)測(cè)點(diǎn)處振級(jí)的實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可見(jiàn)，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的衰減規(guī)律基本一致，但數(shù)值上有一定誤差，考慮到實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性以及模型簡(jiǎn)化所引起的誤差，認(rèn)為所建的有限元分析模型是可信的，可以用于鋼筋混凝土連續(xù)墻隔振效果的數(shù)值模擬。

表2 實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果 dB

3 連續(xù)墻隔振效果的有限元分析

采用0.3 m寬鋼筋混凝土連續(xù)墻作為隔振措施，隔振墻外側(cè)為0.7 m寬陶粒減振材料，內(nèi)側(cè)0.3 m寬陶粒減振材料，深度均為5 m，隔振墻附近的網(wǎng)格見(jiàn)圖4。

激勵(lì)輸入及加速度時(shí)程曲線(xiàn)的數(shù)據(jù)處理同環(huán)境振動(dòng)的有限元分析，6個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖5，采用隔振措施后6個(gè)測(cè)點(diǎn)的振級(jí)見(jiàn)表3。從表3可以看出，測(cè)點(diǎn)1、2、3處的振級(jí)有明顯的降低，分別降低了5.41 dB、17.22 dB、20.54 dB，說(shuō)明隔振墻的隔振作用比較明顯，隔振效果良好。研究表明[10，11]，結(jié)構(gòu)噪聲隨地表振動(dòng)的增加而增加，呈近似線(xiàn)形關(guān)系，當(dāng)場(chǎng)地振級(jí)小于60 dB時(shí)，結(jié)構(gòu)噪聲將小于30 dB，根據(jù)測(cè)點(diǎn)1、2、3處的振級(jí)實(shí)測(cè)結(jié)果和采取隔振措施后的振級(jí)降低效果，采取隔振措施后測(cè)點(diǎn)1、2、3處的振級(jí)將都小于60 dB，能夠保證劇場(chǎng)的正常使用。

圖4 隔振墻附近的網(wǎng)格

圖5 激勵(lì)輸入下6個(gè)測(cè)點(diǎn)處的加速度時(shí)程曲線(xiàn)

dB

4 結(jié) 論

(1)利用實(shí)測(cè)橋墩處的加速度數(shù)據(jù)作為輸入載荷，對(duì)擬建場(chǎng)地的環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行了三維有限元數(shù)值模擬，6個(gè)測(cè)點(diǎn)處的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合，表明有限元模型是可靠的。

(2)采用鋼筋混凝土連續(xù)墻隔振措施，對(duì)隔振效果進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明：測(cè)點(diǎn)1、2、3處的振級(jí)分別降低了5.410 dB(10.2%)、17.221 dB(31%)、20.535 dB(32%)，說(shuō)明隔振墻的隔振作用比較明顯，隔振效果良好。

(3)根據(jù)測(cè)點(diǎn)1、2、3處的振級(jí)實(shí)測(cè)結(jié)果和采取隔振措施后的振級(jí)降低效果，采取隔振措施后測(cè)點(diǎn)1、2、3處的振級(jí)將都小于60 dB，能夠保證劇場(chǎng)的正常使用。

[1] 鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院. 建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告表——某劇場(chǎng)易地新建項(xiàng)目[R].武漢：鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院，2006.

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