地铁上盖建筑振动响应预测及舒适度分析——以南京地铁1号线停车维修库综合体上盖住宅项目为例

魏晓斌, 郭建祥, 孙正华

(江苏省建筑工程质量检测中心有限公司, 南京 210033; 江苏省建筑科学研究院有限公司, 南京 210008)

地铁作为公共交通的重要组成部分,线路的建设需要占用较大的土地面积。为了能够使得土地利用效益最大化,一些城市在车库段上部建设商业及住宅建筑[1-3]。地铁上盖建筑通常由框架结构搭建而成,其底部通常用作商业及地铁车辆车库,这种多功能建筑在使用过程中往往会出现相互干扰的问题。例如,在车辆进出车库过程中,其引起的铁轨振动由基础结构体系传递至上部建筑,易对上部结构的安全和居民居住舒适度产生影响[4-5]。因此在设计建造阶段,就需要对结构的抗振能力及舒适度进行评估[6],目前常采用的手段是现场实测结合有限元计算的方法[7]。

现有的研究表明,在高层建筑振动分析中,采用动力时程分析方法能够计算结构构件内力和变形[8],满足结构设计阶段的抗振评价要求[9]。这种方法的关键在于对所建模型施加振动波的模式,常见的施加方式包括质量加速度施加法、底部位移法、底部加速度法3种[10-11]。质量加速度法是通过达朗贝尔原理,将振动源振动波转化为施加在质点上的惯性力[12];底部位移法是在结构底部地面位置输入位移振动波,模拟地面振动传输模式,计算上部结构响应[13];底部加速度法则是将振动加速度从结构模型底部基础位置输入,进而获取上部结构的振动响应参数[14]。对于这3种输入方式的取舍,达朗贝尔原理表明,由于地面加速度产生的结构相对位移(或变形)将与地基不动并承受外力作用产生的结构位移相同,因此结构分别承受两种激励(地面加速度和外力)的运动方程相同,该力等于质量与地面加速度的乘积,方向与加速度方向相反,因此在应用时需要考虑到结构的实际施工阶段[15]。在地铁上盖建筑振动分析中,在结构底部承受随时间变化的振动,结构的反应来源有两部分:由受力引起的拟静力反应和底部基础振动惯性力所引起的振动反应。从理论上可以看出,这3种振动输入方法均能够满足地铁上盖建筑振动分析,在考虑选用方法时应当结合实际情况和计算简便性进行选择。在实际工程中,对于既有铁路,其振动模拟可以通过振动测试设备获取,且振动加速度测试更为容易,评价方法也有相应标准参考,因此采用底部加速度施加法计算效率更优,结算结果也能够更加符合实际情况。

现通过对南京地铁1号线已建成地铁项目车库段上部待建建筑进行振动分析,验证底部加速度法的适用性。同时结合该工程现场实测数据,通过有限元计算,获取地铁车库上盖建筑列车出入库的振动引起上振动响应并进行舒适度分析,以期为减振措施提供依据和建议。

1 项目概况

1.1 项目简介

南京某地铁停车维修车库上盖大型商住两用建筑,一层、二层为商业用房,三层及以上为住宅楼,由变形缝将整体住宅分为8个区域(A～H区),共计划建设16幢住宅楼,项目整体分区及车道相对位置示意如图1所示。停车场上盖物业项目规划占地面积8万m2,总建筑面积超13万m2。考虑到地铁车辆进行日常停放和定期检修作业时,会产生较大的振动,经由道床、立柱及平台传播至上部建筑物,易引起结构和构件的振动,影响工作效率和生活质量。为评估地铁列车进出维修库时所产生的振动对上部结构的影响,采用车库振动现场实测结合上部结构数值计算的方法评估地铁列车在出入库时引起上部拟建住宅的振动。

1.2 振动测试

综合体A区～D区为清洗库,共有10个车道,E区～H区为维修库,共有11个车道,每个车道编号均为从北向南进行编号,A区～D区为1～10车道,E区～H区为11～21车道。

评估待建建筑的振动,首先需要获得列车运行所产生的振动参数。目前在振动测试中,拾振器是最常用的振动测试装置,结合动应变测试系统,可以获取测试节点处的振动加速度、位移等参数。本工程以H区建筑为测试对象,振动的响应程度随传输距离的增加而衰减,可知11车道和18车道列车进出站时,其上部建筑所产生的振动最为显著,于12号楼底部、16-2号楼底部共布置6个振动测点,包括轨道2个点,柱根部1个点,柱顶3个点。柱测点编号为Z,Z1、Z3、Z5为柱根部测点,Z2、Z4、Z6为柱顶测点,G代表轨道测点。Z-1～Z-4测点位于12号楼下部,Z-5、Z-6测点位于16-2号楼下部,柱顶、柱根部测点布置示意图如图2、图3所示;G-1、G-2布置于11车道,轨道测点布置示意图如图4所示;测点整体布置示意图如图5所示。

图1 综合体分区及车道示意图

图2 柱顶部振动测点

图3 柱根部振动测点

图4 轨道振动测点

图5 振动测点布置示意图

通过所布设的振动传感器,检测列车进出站时振动测点的加速度值,获取4种工况下的振动加速度。工况1:11车道列车入库;工况2:11车道列出出库;工况3:18车道列车入库;工况4:18车道列车出库。各工况下12号楼底部、16-2号楼底部振动曲线如图6、图7所示。

图6 12号楼底部振动曲线

图7 16-2号楼底部各工况振动曲线

2 数值模拟

2.1 模型建立、修正与验证

模型计算以地铁车库上盖H区住宅进行列车进出库及不同工况下列车进出库对上部住宅舒适度进行相关研究与评估。

首先利用有限元软件对综合体H区结构模型进行模态分析,并根据测试结果对基频进行修正。H区综合体下部的地铁停车场部分为3层钢筋混凝土框架结构。根据设计图纸,取框架结构的柱、梁、板进行有限元建模。由于填充墙在框架结构体系中不起承重、支撑和抗剪切作用,只起围护和隔断作用,故在建模中不考虑。对结构中的柱和梁均选取梁单元进行建模,不考虑偏心,楼板选取板单元进行建模。各构件之间采用固接,柱脚采用固端支座。

基频修正后的模型材料参数如下:混凝土强度等级为C40的钢筋混凝土材料,等效弹性模量为36.8 GPa,密度为2 400 kg/m3;混凝土强度等级为C50的钢筋混凝土材料,等效弹性模量为37.8 GPa,密度为2 400 kg/m3;混凝土强度等级为C55的钢筋混凝土材料,等效弹性模量为38.8 GPa,密度为2 400 kg/m3。地铁停车场H区所建结构模型如图8所示。

图8 地铁停车场H区结构模型

统计地铁停车场H区结构模型的计算基频与现场实测基频,现场实测基频为2.54 m/s2,数值模拟获得基频为2.316 m/s2,误差值为8.81%。综合体H区的数值模拟与现场实测的基频误差不超过10%。因此按上述方法所建数值模型在对动态响应的分析中有效可行,可以验证模型是可用的。

2.2 底部加速度施加

综合体下部车库列车进出站均为空载,根据轨道数量,每条轨道有列车进站和出站两种工况,采取实地测量的列车进出站加速度数据进行计算,得到综合体的响应。施加振动曲线之前,均对综合体进行最大静载作用的施加,考虑在危险工况下的位移及沉降变化。通过提取结构位移数据,确定结构危险位置,得到结构沉降及倾角预警值。

底部加速度主要施加于12号楼和16-2号楼底部位置,其中在12号楼主要施加在1#～12#柱,H2处主要施加在31#～36#柱,如图9所示。

3 计算结果分析

3.1 振动响应预测

计算4种工况下建筑的振动响应,选取12号楼和16-2号楼每层的边角位置及中心位置节点处的三向振动位移时程曲线,定义x向为东西向,y向为南北向,z为竖直向。12号楼及16-2号楼在施加振动曲线后的位移云图如图10、图11所示;各工况下楼层最大位移变化曲线如图12所示。

通过图12可以得知,振动曲线加载过程中,随着楼层的增加,两楼房位移逐渐增大。4种工况下,12号楼x方向的位移均大于16-2号楼,12号楼x方向最大位移为0.756 mm;12号楼在y方向位移均小于16-2号楼,16-2号楼在y方向的最大位移为3.65 mm;在z方向的位移12号楼均小于16-2号楼,最大沉降为10.032 mm。

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[16]可知,在风荷载或遇地震作用下,按弹性方法计算的楼层层间最大水平位移与层高之比不宜大于1/250,即最大倾斜度不能超过0.4%。所计算的x、y、z方向楼层位移均在此范围内,因此对于该计算结果下的位移对于建筑楼层来说是安全的。

3.2 易损部位及预警值分析

通过对12号楼和16-2号楼施加4种工况下的典型振动曲线,计算得出了加载过程中建筑的最大位移曲线。由上文可知,在x方向上,最大位移不超过1 mm,所产生的影响较小;对于y方向,12号楼在位移小于16-2号楼,y方向的最大位移均产生在第7层楼顶部,位移值均在3.600 mm左右,所产生的位移基本相差不大;而各工况下建筑z方向的位移要远大于x、y方向,分别为10.032、9.787、9.349、9.200 mm。相关的易损部位的具体位置及对应的变形值见表1。

图10 12号楼位移云图

图11 16-2号楼位移云图

图12 各工况建筑各楼层最大位移

表1 易损具体位置及各工况对应的变形值

3.3 振动舒适度分析

为评估待建上盖住宅楼在列车入库、出库过程中的舒适度,分别对H区综合体的不同工况进行动力响应计算。共计8种工况:①12车道地铁入库;②12车道地铁出库;③8车道地铁入库;④7车道车辆入库;⑤11、12车道车辆同时入库;⑥11、12车道车辆同时出库;⑦7、8车道车辆同时入库;⑧7、8车道车辆同时出库。在各区段上部对应住宅楼模型底部输入实测的柱头上的竖直方向振动加速度时程,进行动力响应计算,时步1/256 s,时长12 s。

对于工况①～工况④,根据楼板的位移云图,选取开间较大的楼板中响应较大的单元上的点,提取位移时程,并计算出加速度时程,每一层提取3个较大位移时间曲线,从而得到每层较大的加速度时程曲线,进而计算得到1～80 Hz频率范围内1/3倍频程中心频率下的加速度响应有效值和加速度振级,并参照规范中的预警值评价各综合体在列车入库、出库过程中的舒适度。楼板位移云图如图13所示。

图13 H区住宅楼板位移云图

对于工况⑤～工况⑧,主要是针对12号楼和16-2号楼进行工况加载。根据楼板的加速度云图,选取开间较大的楼板中响应较大的单元上的点,直接提取加速度时程,z方向加速度云图如图14所示。

图14 H区住宅楼板加速度云图

通过以上易损位置和舒适度预警指标的分析,结果显示,加速度振级基本都在二级限值内,住宅舒适度总体较高,部分区域振动偏高。因此在实际健康监测过程中可以针对所提供的具体位置坐标点进行监测,把实际监测数据与模拟数值进行对比,从而保证建筑楼的舒适度。

4 结论

基于底部加速度法,建立了待建地铁上盖住宅楼的有限元模型,开展了现场振动测试和结构整体振动响应分析,获取了结构易损部位和舒适度监测关键点,得到了以下结论。

(1)最大静载作用下列车出入库所引起的振动模拟结果显示,振动曲线加载过程中,随着楼层的增加,两楼房位移逐渐增大,数值方向最大沉降为10.032 mm。

(2)舒适度计算结果显示,地铁进出库对于楼层的振动影响较小,加速度振级基本都在二级限值内,住宅舒适度总体较高,但是局部振动偏高,建议采取相应的减振措施。