高架轻轨运行激励下建筑物隔振有限元分析

2010-01-25陈景涛

土木工程与管理学报 2010年1期

陈景涛

(武汉理工大学理学院，湖北武汉 430070)

高架轻轨作为一种城市交通方式，因具有明显的优势而在城市建设中得到了迅猛发展，给城市居民的生活带来很大方便。但高架轻轨运行所引发的振动与噪声问题，一直受到人们的关注。高架轻轨列车在运行过程中产生的振动通过桥梁传至地面后，再由土壤传递到建筑物基础，引起建筑物振动产生结构噪声；建筑物振动时也可能激起门窗、设备等振动发出声音，产生二次结构噪声，对环境产生影响。武汉某拟建剧场东临京汉大道和轨道交通一号线，周围噪声振动污染源主要是京汉大道上道路交通噪声、轨道交通一号线的噪声以及由于轨道交通运行振动而引起的剧场内的结构噪声。环评报告[1]指出：剧场内的结构噪声将超过33dB(A)，不满足噪声评价曲线NR-25小于30dB(A)的规定；道路交通噪声振动对剧场基本没有影响。因此，有必要采取有效的隔振措施，降低剧场内的结构噪声，保证剧场正常使用。

目前较常用的隔振装置有隔振弹簧系统、钢板与橡胶交互夹层相接的多层橡胶支承垫、以及多层橡胶支承垫与阻尼器组合使用。香港葵青剧院等采用隔振弹簧系统来防止列车通过时对剧院的振动影响，以上隔振装置对隔振材料有较高的要求，价格较贵且维护费用也高。钢筋混凝土连续墙的隔振原理是利用不同参数介质界面上振动波的反射、透射特性，即在非均匀介质中，随着不同介质材料参数的不同，透射、反射的能量量值也不同，材料的阻尼吸收系数也不同，改变了振动的传递，从而到达减振的目的。钢筋混凝土连续墙隔振措施不仅施工方便、造价低，而且几乎不需要维护，隔振效果也可满足工程要求[2～5]。

1 工程概况

剧场地上二层及地下一层共三层，其中地上一层设置 810 座的中型剧场，地上二层置 300 座的小型剧场，地下一层安排设备用房、功用房和部分地下停车位。总建筑面积 7600 m2。根据对剧场周边环境振动的现场实测，得到了与352号桥墩对应的六个测点的振级(测点位置见图1)。隔振措施采用钢筋混凝土连续墙，隔振墙距地下室外墙0.7 m。为了分析隔振墙的隔振效果，先对实测现场的环境振动现状进行数值模拟，作为评价隔振墙隔振效果的初始状态，再对采取隔振措施后的状态进行数值模拟，并与初始状态进行比较，来评价隔振墙的隔振效果[6～9]。

图1 测点布置

2 环境振动现状的有限元分析

2.1 土层参数

土层参数见表1。

表1 土层参数

2.2 有限元分析模型

有限元分析模型为以352号墩为中心，长为80 m，宽为25 m，深度为22 m(图2)，采用 Solid45八节点三维等参元进行离散，设置钢筋混凝土连续墙部位的网格与隔振效果分析时一致。其中z向19～22 m范围、x向-30～-40 m范围和x向30～40 m范围用来模拟远场对计算模型的影响。z向22 m平面采用固支，x向-40 m平面和x向40 m平面采用法向位移约束，y向-12.5 m平面和y向12.5 m平面采用法向位移约束。

图2 有限元分析模型

将采集得到的桥墩测点处的加速度时程数据作为原始的激励输入，根据牛顿第二定律换算为激励力。

F=ma

(1)

式中，m为一跨梁的质量与一根桥敦的质量之和；a为加速度时程数据。

6个测点处的加速度时程曲线见图3。根据实际测得的振动加速度时程曲线，进行离散Fourier变换得到频域内对应于各频率的幅值|A(J)|，其中：

(2)

式中，a(k)为测得的振动加速度时程，单位m/s2；N为数据个数。

图3 环境振动下6个测点处的加速度时程曲线

由于|A(J)|对应各频率的振动是简谐振动，所以可得对应于各频率振动加速度的有效值ari：

(3)

振动计权加速度值为：

(4)

式中，ci为对应于该频段的计权因子；ari为第i个频段各频率处的振动加速度有效值。

振动级VL(简称振级，单位为dB)为：

(5)

6个测点处振级的实测结果与数值模拟结果见表2。从表2可见，数值模拟结果与实测结果的衰减规律基本一致，但数值上有一定误差，考虑到实测现场的复杂性以及模型简化所引起的误差，认为所建的有限元分析模型是可信的，可以用于钢筋混凝土连续墙隔振效果的数值模拟。

表2 实测结果与数值模拟结果 dB

3 连续墙隔振效果的有限元分析

采用0.3 m宽钢筋混凝土连续墙作为隔振措施，隔振墙外侧为0.7 m宽陶粒减振材料，内侧0.3 m宽陶粒减振材料，深度均为5 m，隔振墙附近的网格见图4。

激励输入及加速度时程曲线的数据处理同环境振动的有限元分析，6个测点的加速度时程曲线见图5，采用隔振措施后6个测点的振级见表3。从表3可以看出，测点1、2、3处的振级有明显的降低，分别降低了5.41 dB、17.22 dB、20.54 dB，说明隔振墙的隔振作用比较明显，隔振效果良好。研究表明[10，11]，结构噪声随地表振动的增加而增加，呈近似线形关系，当场地振级小于60 dB时，结构噪声将小于30 dB，根据测点1、2、3处的振级实测结果和采取隔振措施后的振级降低效果，采取隔振措施后测点1、2、3处的振级将都小于60 dB，能够保证剧场的正常使用。