莘庄枢纽上盖建筑振动影响仿真分析

郑玄东，耿传智

（同济大学 铁道与城市轨道交通研究院，上海201804）

上海莘庄综合枢纽工程由既有轨道交通1号线、5号线、拟建金山支线、沪杭客专南联络线、规划轨道交通17号线组成五线平行换乘的一体化枢纽，物业开发部分为住宅、公寓式办公、商业部分、酒店及办公楼部分.该物业开发项目对居住环境的振动要求较高.列车经过时引起的振动对周围环境的影响［1-3］，是该类房产开发项目所面临的重要问题.因此，对该开发项目中客运专线列车运行所引起的上盖建筑物结构振动的预测分析，以及研究如何减少振动所带来的影响非常必要.

1 莘庄枢纽工程半空间有限元模型

根据莘庄枢纽上盖物业开发项目工程设计以及莘庄站地质勘查报告，采用ANSYS软件，建立了莘庄站半空间有限元模型.

莘庄枢纽车站结构有限元模型宽度为600m，土层深度为92m.网格数量为27万，节点数为28万.

莘庄枢纽车站断面结构如图1所示.本文对图1所示整个断面进行了有限元网格划分，图2为图1中虚线框A所示部分的有限元模型放大.

图1 莘庄站建筑结构断面Fig.1 Structure cross section of Xinzhuang Station

图2 莘庄枢纽工程有限元模型局部放大Fig.2 Part of finite element model for Xinzhuang Hub project

图2有限元模型中包括莘庄枢纽车站地质勘查的13层地基土层，不同的地基土层由不同颜色有限元单元表示.有限元模型中地基土层参数依照《莘庄站地质勘查报告终稿》中实测数据进行确定，并且在不同地基土层的边界处建立了对应地基土层的黏弹性边界条件，用以模拟无限边界消除由于截断效应所引起的反射波的影响［4］，用以保证仿真计算的准确性.模型还包括上盖邻近建筑物T17，与沪杭客专线路中心线的最近水平距离为10m，上盖建筑物楼层高度120m；上盖邻近建筑T15与沪杭客专线路中心线的最近水平距离为97m，建筑高度138m，以及T17，T15的桩筏基础、47m地下连续墙结构、沪杭客专碎石道床轨道，莘庄车站的断面结构.

本文阻尼模型采用Rayleigh阻尼，根据实测站台的振动加速度响应，设定计算阻尼的两个自振频率为1Hz和80Hz［5］.

1.1 有限元仿真分析工况

本文仿真分析两种工况下沪杭客专邻近建筑物T17，T15结构振动响应.即碎石道床轨道结构工况，在碎石道床下方增设隔振基础工况.

图3为碎石道床下方增设隔振基础结构示意图.图中所示A部分为碎石道床轨道结构，B部分为隔振基础，隔振基础与地基之间采用弹性支撑，弹性支撑可采用橡胶或钢弹簧支撑.

弹性支撑的刚度为7kN·mm-1，弹性支撑的阻尼常数取值为6×104N·（m·s-1）-1.采用Combin 14单元进行模拟.

图3 碎石道床下设隔振基础结构Fig.3 Additional isolation base under ballast track

1.2 列车荷载确定

本文采用数定表达式由实测钢轨加速度计算得到钢轨上的垂向轮轨力［6］.首先对莘庄枢纽车站进行了轨道结构及站台的振动加速度现场实测.测试所得钢轨振动加速度时程及频谱如图4所示.

图4 钢轨实测垂向振动加速度时程和频谱Fig.4 Filed test time history and frequency content of vertical acceleration for rail

根据图4所示的实测钢轨振动加速度并采用数定表达式的计算方法，得到碎石道床工况下的轮轨荷载的时程及频谱，如图5和图6所示.沪杭客专列车通过莘庄站时车速为130km·h-1，莘庄站为碎石道床轨道结构.

现场测点以及加速度传感器安装位置见图7和图8.现场测试依照《城市区域环境振动测量方法》（GB 10071—88）［7］具体要求进行.

图5 碎石道床下作用在钢轨上的竖向轮轨力时域Fig.5 Time history of wheel-rail force on rail for general ballast track

图6 碎石道床下作用在钢轨上的竖向轮轨力频谱Fig.6 Frequency content of wheel-rail force on rail for general ballast track

图7 振动测试现场传感器布置Fig.7 Vibration sensors placement in test field

图8 测试现场振动加速度传感器安装Fig.8 Mounting of vibration sensors in test field

对于沪杭客专客运专线，碎石道床工况下将由钢轨垂向加速度计算得出的轮轨荷载施加在半空间模型中的钢轨上，计算结构的振动响应.

另外，将轮轨荷载施加到单独建立的基础隔振有限元模型中，计算得到弹性基础位置处的支反力，然后将该支反力施加到半空间模型的路基之上计算结构的振动响应，隔振基础的弹性支座的支反力时程以及频谱曲线，如图9和图10所示.

图9 隔振基础的弹性支座支反力时程Fig.9 Time history of base isolation support force

图10 隔振基础的弹性支座支反力频谱Fig.10 Frequency content of base isolation support force

对比图6、图10可以看出经过弹性基础后传递到路基上的荷载频域范围主要集中在200Hz范围内.

2 有限元仿真结果分析

对仿真分析结果，选取T17及T15建筑物的不同楼层卧室房间的楼板与剪力墙相连接位置处以及楼板中部作为分析对象.

2.1 时域以及频谱分析

图11和图12分别为碎石道床和碎石道床下方增设隔振基础工况下，建筑T17一层楼板端部位置处垂向振动加速度时域和频谱.图13和图14分别为碎石道床和碎石道床下方增设隔振基础工况下，建筑T15一层楼板端部位置处垂向振动加速度时域和频谱.

图11、图13表明沪杭客专客运专线对上盖建筑物T17的影响较大，而对相距较远的T15建筑的影响较小.T17建筑一层加速度峰值为0.03m·s-2；T15一层加速度峰值为0.002m·s-2.同时对比图11、图13中频谱可以得出，在碎石道床轨道工况下，T17振动加速度主要集中在0～60Hz范围内，对比T15振动加速度主要集中在0～20Hz范围内.

图11 碎石道床下T17一层楼板端部位置垂向振动加速度时域和频谱Fig.11 Time history and frequency content of vertical vibration acceleration on the floor end of the first floor of T17building for ballast track

图12 基础隔振结构下T17一层楼板端部位置振动加速度时域和频谱Fig.12 Time history and frequency content of vertical vibration acceleration on the floor end of the first floor of T17building for base isolation structure

图13 碎石道床下T15一层楼板端部位置振动加速度时域和频谱Fig.13 Time history and frequency content of vertical vibration acceleration on the floor end of the first floor of T15building for ballast track

图14 基础隔振下T15一层楼板端部位置振动加速度时域和频谱Fig.14 Time history and frequency content of vertical vibration acceleration on the floor end of the first floor of T15building for base isolation structure

通过对比图11、图12可以看出，通过基础隔振结构，能明显降低客运专线列车带来的中高频振动影响，基础减振后T17一层振动加速度峰值为0.003 6m·s-2，相对碎石道床工矿，加速度峰值减少了88%.

2.2 加速度1/3倍频程分频振级分析

对T17及T15建筑一层卧室房间的楼板与剪力墙相连接位置处以及楼板中部进行加速度1/3倍频程分频振级分析.

结果如图15和图16所示.通过对比可以明显看出，沪杭客专客运专线对T17的振动影响大于对T15的影响.T17建筑分频振级在8Hz左右达到最大值为80dB，T15建筑分频振级在8Hz左右达到最大值为52dB.

图15 建筑T17一层不同工况下1/3倍频程分频振级Fig.15 One third octave vibration frequency division level VLzof the first floor in T17building under different conditions

图16 建筑T15一层不同工况下1/3倍频程振级Fig.16 One third octave vibration frequency division level of the first floor in T15building under different conditions

在碎石道床下方增设隔振基础结构后，T17一层处楼板中部位置处分频振级最大值为60.8dB，相对碎石道床工况的78.1dB减小了17.3dB；T15一层处楼板中部位置处分频振级最大值为34.2dB，相对碎石道床工况的50.5dB减小了16.3dB.通过图15，结合图11和图12可以看出：基础隔振结构能明显降低T17分频振级在20～80Hz范围内的振动，分频振级最大减少30dB以上.

2.3 建筑T17和T15最大振级分析

对仿真结果T17及T15建筑结构的垂向振动加速度进行分析，计算得到最大总振级VLzmax值，VLz计算方法依照GB 10071—88进行.计算得到T17，T15建筑VLzmax均值如表1所示.

表1 不同建筑VLz max均值Tab.1 VLz maxmean values of different buildings dB

针对本项目工程，采用文献［8-10］，建议采用昼间70dB，夜间67dB，并用VLzmax计算结果进行评价.

表1列出了T17及T15建筑观察点VLzmax均值.通过表1可以看出，在普通碎石道床工况下T15建筑的振动没有超出标准的规定，但是T17建筑的VLzmax均值为79.68dB，超出夜间标准约12dB；采用基础减振之后，T17建筑观测点VLzmax均值为62.96dB，可以满足国家及地方标准对居住环境要求的振动限值.

3 结论

本文建立莘庄站综合枢纽工程半空间有限元模型，根据现场实测钢轨加速度，运用数定表达式模拟轮轨荷载，最后对邻近建筑物进行振动影响仿真分析，所得结果如下：

（1）碎石道床工矿下，T17建筑分频振级在8 Hz左右达到最大值为80dB，T15建筑分频振级在8Hz左右达到最大值为52dB.在碎石道床下方增设隔振基础结构后，T17一层处楼板中部位置处分频振级最大值为60.8dB，相对碎石道床工况的78.1dB减小了17.3dB；T15一层处楼板中部位置处分频振级最大值为34.2dB，相对碎石道床工况的50.5dB减小了16.3dB.基础隔振结构能明显降低T17分频振级在20～80Hz范围内的振动，分频振级减少30dB以上.

（2）仿真分析结果表明，客运专线列车经过时对上盖建筑物T17的影响较大，普通碎石道床工况下结构振动VLzmax均值为79.68dB；对T15的影响较小，VLzmax均值为59.1dB.

（3）在碎石道床下方增设隔振基础，能够有效减少客运专线列车运行时对莘庄站上盖建筑T17所产生的振动影响.增设隔振基础后，T17建筑振动VLzmax均值为62.96dB，相对原始工况降低16dB左右，能够满足规范要求.

综上所述，在既有轨道下方增设隔振基础结构，能够有效地降低沪杭客专列车通过时对莘庄站综合枢纽工程上盖建筑的振动影响，满足莘庄站综合枢纽工程上盖开发建筑对环境振动的要求.

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