地铁运行引起邻近建筑振动的有限元分析

黄江华 韩全吉 董世钊

摘 要：为研究地铁列车运行引起邻近建筑物振动的影响，本文主要利用ABAQUS数值模拟方法，以Dload子程序模拟列车荷载，建立多种建筑模型，计算并提取相应的振动加速度数据，对比分析塔式楼与板式楼的振动特征，并分析框架结构中结构墙设置对建筑振动的影响。分析结果表明，高层建筑中，随着建筑层数的增加，振动强度呈现先增大、再衰减、后增大的趋势;框架结构设置较多结构墙，将为振动波的传播提供更多介质，加剧了框架结构受地铁运行引起的振动反应。

关键词：地铁;建筑振动;数值模拟;框架结构

中图分类号：TU311.3;U231 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2020）29-0093-03

Abstract： In order to study the influence of the vibration of adjacent buildings caused by subway operation， this paper mainly used the ABAQUS numerical simulation method to simulate the train load with the Dload subroutine， established a variety of building models， calculated and extracted the corresponding vibration acceleration data， compared the vibration characteristics of tower buildings and slab buildings， and analyzed the influence of structural walls in frame structures on building vibration. The analysis results show that in high-rise buildings， as the number of floors increases， the vibration intensity presents a trend of first increase， then attenuation and then increase; the frame structure is equipped with more structural walls， which will provide more media for the propagation of vibration waves， and aggravate the vibration response of the frame structure caused by subway operation.

Keywords： metro;building vibration;numerical simulation;frame structure

随着城市化发展进程的有序推进，国内城市轨道交通运营量逐年增加。轨道交通具有快捷、运载量大等优点，但是会对周边环境造成振动污染。近年来，交通振动污染得到更多关注，使得交通振动问题的研究成为热门。轨道交通振动的产生原因复杂，其传播与衰减也受多种因素影响。

本文采用数值模拟方法对地铁运行引起的邻近建筑振动进行预测，探究建筑振动特征，为建筑减振设计提供建议。

1 隧道-地层-建筑有限元模型

1.1 模型参数选取

本研究以郑州地铁某段为背景，建立有限元模型。取隧道轴向为y轴，铅垂方向为z轴，建筑长边平行于隧道方向。

根据实际土层信息，在模型中化简土体为两层，土层参数如表1所示。地铁隧道埋深H为9.0 m，直径D为6.0 m，隧道衬砌厚为0.35 m。为满足计算精准度要求，地铁振动问题建模时，模型隧道中心到模型边界的距离应达到（4～5）D[1]。

地铁运行振动引起周边土体的应变远小于10-5，此时土体处于弹性状态，本文所建立的地基土体模型采用弹性模型[2]。隧道及建筑各构件参数如表2所示。

设置土体侧面均为无限元单元，并施加法向约束，转角为转角无限元，以防止边界上由于波的反射造成误差。

由于模型将隧道管片简化为整体，赋予管片刚度折减，设弹性模量为27 600 MPa。

1.2 列车移动荷载模拟

研究地铁周边环境振动及地层、建筑沉降等动力学问题时，首先需要确定列车移动荷载的模拟方法。本文将列车荷载简化为一激励力函數，其由静荷载和多个简谐波组合而成[3-5]：

式中，[P0]为车轮静载;[P1]、[P2]、[P3]分别为三种不平顺管理条件下的振动荷载幅值（[i]=1，2，3）;[t]为荷载作用时长。

令列车簧下质量为[M0]，对应振幅为：

式中，[v]为车辆行驶速度;[Li]为振动波长。

根据相关资料，取[P0]=70 kN，列车簧下质量[M0]=750 kg，取不平顺振动波长和相应典型矢高为[L1]=10.0 m，[a1]=5.0 m;[L2]=2.0 m，[a2]=0.6 m;[L3]=0.5 m，[a3]=0.1 m，[v]=80 km/h。利用ABAQUS子程序Dload使荷载移动得到实现。施工的地铁列车荷载如图1所示。

2 计算结果与分析

地铁线路常与住宅建筑较近，所带来振动下的舒适度值得探究。

模型参数设置如下：框架结构共有9层，层高为3.5 m。建筑横纵均为4跨，梁截面尺寸为500 mm×300 mm，楼板厚度为120 mm，填充墙厚度设置为240 mm，剪力墙厚度设置为370 mm。建筑与隧道中心水平距离设置为15 m。

建筑模型如图2所示。

上述模型固有主要频率分别为0.542、5.018、2.029、7.165 Hz，表明结构墙的合理运用使得框架结构自振频率增大、自振周期减小，则结构抗侧移刚度增强[6-7]。

设置动力分析步骤并施加列车荷载，提取四类建筑模型各楼层对应测点位置的振动加速度级，如图3所示。

图3数据表明，垂直于地铁隧道水平方向（x方向）和沿地铁隧道水平方向（y方向）上，全框架结构及框架-核心筒结构建筑振动强度随楼层上升先略有衰减后逐渐上升，而框架-填充墙结构和筒中筒结构振动强度平缓上升，表明结构墙为振动波在建筑结构中的传递提供更多介质;四种建筑结构竖向振动加速度均保持在65～73 dB，水平振动加速度级介于48～63 dB，且每种建筑在竖直方向上的数值均大于对应水平方向数值，表明四类建筑结构振动传递特征均有竖向振动强度明显大于水平方向上的振动强度，而竖向振动加速度级变化幅度较小，且随楼层上升呈现先增再减后增的现象;对比Z振级，在同一测点上，全框架结构较其余三者低1～5 dB，表明结构墙的加入加剧了框架结构在邻近地铁运行所造成的振动反应，对框架结构抗震起到一定负面作用。

3 结论

对比全框架结构、框架-填充墙结构、框架-核心筒结构、筒中筒结构模型固有频率得知，结构墙的运用使得框架结构刚度有所增强，结构抗侧移刚度增强，而筒中筒结构则会造成建筑底部薄弱。结构墙为振动波在建筑结构中的传递提供更多介质，加剧了框架结构在邻近地铁运行所造成的振动反应，对框架结构抗震起到一定负面作用。

参考文献：

[1]吕爱钟，蒋斌松，尤春安.位移反分析有限元网格划分范围的研究[J].土木工程学报，1999（1）：26-30.

[2]徐健.建筑振动工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[3]冯军和，闫维明.列车随机激振荷载的数值模拟[J].振动与冲击，2008（2）：49-52.

[4]胡宗允，李晶晶.地铁列车荷载分析方法[J].路基工程，2006（5）：18-20.

[5]汪杰，宋瑞刚，袁天辰，等.地铁列车荷载的仿真模拟[J].上海工程技术大学学报，2011（3）：213-216.

[6]傅强，郭正婷.结构刚度对桥梁固有频率和模态的影响[J].山西建筑，2010（21）：305-306.

[7]劉凤谊，王全凤.填充墙对结构刚度的影响[J].山西建筑，2007（33）：93-94.