■ 陳曉堅(jiān)

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化率不斷提高，城市人口驟增，帶來了巨大的交通出行壓力。軌道交通因其自身運(yùn)量大、快捷、安全、舒適、低能耗等優(yōu)點(diǎn)被視為解決城市出行問題的最佳方式之一。截至2018年1月1日，我國內(nèi)地已有35個(gè)城市開通城市軌道交通，總里程超過5 000 km。高架線路具有節(jié)約土地資源、建設(shè)成本低、維修養(yǎng)護(hù)方便、適應(yīng)多種地形地質(zhì)條件等優(yōu)點(diǎn)，在城市軌道交通中得到廣泛應(yīng)用。武漢軌道交通1號線是全高架的快速軌道交通線路，上海明珠線高架橋梁約占線路總長86．0%，廣州地鐵4號線高架橋梁占線路總長69．3%，西安地鐵13號線、成都地鐵2號線線路也大量采用了高架橋梁。

軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)問題日益凸顯，列車激勵(lì)所引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)通過周圍土體向外傳播，進(jìn)一步誘發(fā)建筑物的二次振動(dòng)，特別是對高層建筑、古舊建筑物、精密儀器生產(chǎn)車間的影響較大。

國內(nèi)外對高架軌道交通車輛引發(fā)的環(huán)境振動(dòng)問題開展了大量研究。Xia等[1-2]對高架軌道交通引起線路附近的地基和建筑物振動(dòng)進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，得到了環(huán)境振動(dòng)與車速、列車軸重與測點(diǎn)距離等參數(shù)的關(guān)系，并研究了地面各方向的振動(dòng)衰減規(guī)律。張志俊[3]提出了列車-軌道-橋梁垂向耦合振動(dòng)分析模型、三維樁基-地基耦合振動(dòng)分析模型以及高速鐵路橋梁段車致地面振動(dòng)問題的頻域分析模型。Kouroussis等[4]對布魯塞爾某鐵路所引起的環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行了現(xiàn)場測試并數(shù)值仿真分析，研究結(jié)果表明，車致地面振動(dòng)與土體結(jié)構(gòu)、列車類型和速度、測量方向及軌道質(zhì)量密切相關(guān)。李克飛等[5]對北京地鐵5號線高架橋減振措施實(shí)際效果進(jìn)行了現(xiàn)場測試。李小珍等[6-7]對成灌線高架橋車致環(huán)境振動(dòng)和高架車站車致振動(dòng)進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測。劉維寧等[8]針對地鐵列車振動(dòng)環(huán)境影響的預(yù)測問題，提出了一種新型深孔激振實(shí)測傳遞函數(shù)預(yù)測方法。

1 工程概況

某城市軌道交通受到地理環(huán)境、車站選位、最小曲線半徑等因素制約，緊鄰某微電子廠房。該軌道交通線路距某微電子廠房的最近距離約65 m，距某城市道路（雙向6車道）約90 m。該路段均采用高架線路，線路自車站引出后由（28+5×30+2×35）m簡支梁和（3×41+40）m連續(xù)梁跨越至城市道路另外一側(cè)。

考慮微電子廠房未來發(fā)展的需要，確保軌道交通運(yùn)營不影響廠房正常生產(chǎn)，提出軌道交通在運(yùn)行過程中引起廠房鄰近敏感場地振動(dòng)不超過VC-C標(biāo)準(zhǔn)（平均方式為峰值保持）的控制目標(biāo)，即允許振動(dòng)量為1～80 Hz內(nèi)速度不超過12．5 μm/s。

首先在擬建軌道交通場地開展振動(dòng)傳遞特性現(xiàn)場試驗(yàn)，測試重卡經(jīng)過城市道路時(shí)所引起的地面振動(dòng)，對既有場地振動(dòng)現(xiàn)狀進(jìn)行評估并研究振動(dòng)衰減規(guī)律?；诹熊?軌道-橋梁耦合振動(dòng)分析理論建立振源分析模型；利用有限元法建立墩-樁-土傳播路徑模型；預(yù)測減振墊浮置板道床、鋼彈簧浮置板整體道床2種軌道結(jié)構(gòu)形式下地面環(huán)境振動(dòng)速度，探討是否滿足環(huán)境振動(dòng)要求。該路段緊鄰車站，加速、減速、勻速工況眾多，研究僅分析靠近廠房一側(cè)單線行車、車速70 km/h的情況，并將其視為最不利的情況。

2 場地土體振動(dòng)傳遞特性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

交通系統(tǒng)引起振動(dòng)傳播和衰減主要在土體中完成，了解工程現(xiàn)場土體振動(dòng)傳遞特性是進(jìn)行振動(dòng)控制的前提。盡管已取得了較為完善的場地鉆探資料，但由于場地土差異性較大，僅憑少數(shù)鉆孔仍無法全局把握場地土的整體動(dòng)力學(xué)參數(shù)。為研究振動(dòng)在擬建軌道交通場地中的傳播規(guī)律，開展地面振動(dòng)傳遞試驗(yàn)。

場地土體振動(dòng)傳遞特性現(xiàn)場測試斷面垂直于擬建軌道交通線路。測試斷面地表有雜草以及低矮樹木，工廠圍墻內(nèi)部為瀝青路面或草坪。該測試斷面共布置7個(gè)測點(diǎn)，編號1#—7#，分別距城市道路邊緣0、10、20、30、40、50及65 m，其中1#測點(diǎn)位于海翔大道輔道外側(cè)邊緣（見圖1）。每個(gè)測點(diǎn)布置3個(gè)891-Ⅱ型拾振器，分別為X、Y、Z方向。891-Ⅱ型拾振器主要用于測量地面、結(jié)構(gòu)物的脈動(dòng)或工程振動(dòng)。對于振動(dòng)速度，通頻帶為1～80 Hz，分辨率為2×10-8m/s。

試驗(yàn)利用道路重型卡車激勵(lì)，車速60～80 km/h，采集多組重型卡車經(jīng)過時(shí)各測點(diǎn)振動(dòng)速度樣本，選取20組典型有效數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。為減小周圍其他振源的影響，試驗(yàn)選在夜間進(jìn)行。

2.2 測試結(jié)果

X、Y、Z 3個(gè)方向本底振動(dòng)測試結(jié)果見圖2?？梢钥闯觯镜渍駝?dòng)主要集中在0～40 Hz，均小于VC-C標(biāo)準(zhǔn)。

重型卡車經(jīng)過時(shí)，3個(gè)典型工況振動(dòng)測試結(jié)果見圖3。

圖1 測點(diǎn)布置

圖2 本底振動(dòng)數(shù)據(jù)

圖3 汽車激勵(lì)所引起場地振動(dòng)

由圖3可知：

（1）當(dāng)重型卡車經(jīng)過測試斷面時(shí)，1#—7#測點(diǎn)處垂向振動(dòng)速度均遠(yuǎn)超過VC-C標(biāo)準(zhǔn)，7#測點(diǎn)處垂向振動(dòng)速度20～30 μm/s；

（2）對于水平振動(dòng)，當(dāng)重型卡車駛過4#測試斷面時(shí)，7#測點(diǎn)（65 m）處振動(dòng)速度低于10 μm/s，滿足VC-C標(biāo)準(zhǔn)；

（3）2#、3#、4#測點(diǎn)10～40 m處振動(dòng)速度反而大于1#測點(diǎn)，說明水平振動(dòng)速度在一定距離范圍內(nèi)有放大趨勢。

基于1#—7#測點(diǎn)振動(dòng)測試結(jié)果，可掌握該敏感場地目前振動(dòng)污染狀況，并可驗(yàn)證數(shù)值仿真分析模型中土體振動(dòng)傳遞衰減規(guī)律。

3 理論分析

高架軌道交通引起環(huán)境振動(dòng)的理論分析思路見圖4，理論分析模型包括振源模型和傳播路徑模型。對于振源模型，基于列車-軌道-橋梁耦合振動(dòng)分析理論[9-10]，求解出時(shí)域輪軌力進(jìn)行傅里葉變換得到頻域輪軌力。將頻域輪軌力施加在軌道-橋梁有限元模型中進(jìn)行諧響應(yīng)分析，得到頻域支座反力；對于傳播路徑模型，建立墩-樁-土模型，在墩頂施加振源模型中所求出的支座反力。

數(shù)值仿真模型建立3跨30 m簡支梁，箱梁跨中截面見圖5。該混凝土梁為雙線混凝土單箱單室箱梁，梁寬10．20 m，線間距4．20 m，跨中截面梁高2．00 m、頂板厚0．25 m、腹板厚0．35 m、底板厚0．27 m。主梁采用C50混凝土。橋墩為多邊形截面實(shí)心墩，標(biāo)準(zhǔn)截面為2．4 m×2．2 m，采用C40混凝土，墩高10 m。采用4根直徑1．2 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁長35 m。

3.1 預(yù)測模型

3.1.1 振源模型

圖4 理論分析思路

圖5 箱梁跨中截面

為準(zhǔn)確求解時(shí)域輪軌力，建立列車-軌道-橋梁振動(dòng)模型。車輛采用地鐵B型車，6節(jié)編組，每節(jié)車廂有4個(gè)輪對、1個(gè)車體，簡化為剛體；一系、二系懸掛簡化為彈簧阻尼元件；軌道不平順采用美國五級譜，車速70 km/h。將時(shí)域輪軌力進(jìn)行傅里葉變換，得到各輪對頻域輪軌力，頻率1～90 Hz。

為求解最大支座反力，建立軌道結(jié)構(gòu)-橋梁動(dòng)力分析模型（見圖6）。鋼軌采用60 kg/m標(biāo)準(zhǔn)軌，簡化為梁單元；軌道板、底座板、橋梁等均簡化為板單元；扣件、鋼彈簧簡化為彈簧阻尼單元。劃分網(wǎng)格大小約為0．5 m，扣件間距取0．6 m，扣件剛度取60 kN/mm。支座通過施加自由度約束實(shí)現(xiàn)，簡支梁一端兩支座簡化為1個(gè)約束單元。橋梁輪軌力加載最不利位置見圖7，將2#墩支座反力視為最大值，相鄰兩節(jié)車緊鄰的兩輪對對稱施加在2#墩兩側(cè)橋梁上。通過諧響應(yīng)分析，求解得到2#墩墩頂兩支座反力，分析頻率1～90 Hz。

3.1.2 墩-樁-土傳播路徑模型

建立墩-樁-土傳播路徑模型（見圖8），土體大小為平行于線路方向100 m，垂直于線路方向100 m，深40 m，樁長35 m。承臺頂部與土體表面平齊，樁土共節(jié)點(diǎn)處理。有限元模型采用實(shí)體單元建模，劃分網(wǎng)格大小0．5～1．0 m。為保守起見，將所求2#墩墩頂兩支座反力施加在墩-樁-土模型1#—4#墩墩頂。通過諧響應(yīng)分析，求解2#、3#橋墩中間距線路65 m處地面振動(dòng)響應(yīng)。

圖6 軌道結(jié)構(gòu)-橋梁動(dòng)力分析模型

圖7 橋梁輪軌力加載最不利位置

圖8 墩-樁-土傳播路徑模型

3.2 場地土體振動(dòng)衰減規(guī)律驗(yàn)證

驗(yàn)證思路：在已建傳播路徑模型中施加一虛擬簡諧力模擬汽車荷載，調(diào)整簡諧力大小，使力作用點(diǎn)附近振動(dòng)與1#測點(diǎn)處實(shí)測汽車激勵(lì)作用下振動(dòng)相似，然后對比傳播路徑模型中振動(dòng)傳遞至65 m振動(dòng)速度衰減量與實(shí)測汽車激勵(lì)下振動(dòng)速度衰減量平均值是否一致。

選取汽車激勵(lì)引起場地振動(dòng)多個(gè)工況測試結(jié)果平均值作為已知振動(dòng)（1#測點(diǎn)），并得到振動(dòng)經(jīng)場地土體傳遞至65 m時(shí)振動(dòng)衰減量。由于實(shí)測汽車激勵(lì)下場地土體水平方向振動(dòng)較小，僅對垂直Z方向振動(dòng)衰減規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)證。

振動(dòng)計(jì)算值與實(shí)測值對比見圖9，計(jì)算衰減量與實(shí)測衰減量對比見圖10?？梢钥闯?，在振源附近垂直方向振動(dòng)速度相似的前提下，振動(dòng)衰減至65 m處振動(dòng)衰減量實(shí)測值與計(jì)算值基本吻合，傳播路徑模型能夠較準(zhǔn)確地模擬場地土體振動(dòng)衰減規(guī)律。

4 不同道床的地面振動(dòng)響應(yīng)

軌道既是引起列車振動(dòng)的主要振源之一，也是承擔(dān)和傳遞振動(dòng)的第一子結(jié)構(gòu)。因此軌道的結(jié)構(gòu)形式、材料組成及其相應(yīng)的動(dòng)力特性極大地影響著軌道交通環(huán)境振動(dòng)的特性。軌道結(jié)構(gòu)形式的動(dòng)力特性隨著軌道單元的質(zhì)量、剛度和阻尼的不同而改變。改變軌道的動(dòng)力特性意味著直接改變了振源的頻率組成及振動(dòng)強(qiáng)度。對軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的合理優(yōu)化，可設(shè)計(jì)出不同的減振軌道產(chǎn)品；相反，不合理的設(shè)計(jì)會惡化輪軌相互作用關(guān)系。

4.1 減振墊浮置板道床

減振墊浮置板道床即在軌道板與底座板之間加入橡膠減振墊，每塊道床板對應(yīng)1塊基底，每塊基底兩端在線路中線處各設(shè)置1個(gè)限位凸臺。每塊軌道板長5．875 m，相鄰兩軌道板間距0．15 m。單位面積橡膠減振墊剛度為6．0 kN/mm，厚度為30 mm。在軌道-橋梁有限元模型中，每延米橡膠減振墊簡化為2個(gè)彈簧，連接鋼筋混凝土基底和軌道板，垂向剛度為7．2 kN/mm。

圖9 振動(dòng)計(jì)算值與實(shí)測值對比

圖10 計(jì)算衰減量與實(shí)測衰減量對比

減振墊浮置板道床結(jié)構(gòu)在單線行車、車速70 km/h的工況下，距線路65 m處地面振動(dòng)速度見圖11。

由圖11可知：

（1）列車輪軌荷載激勵(lì)下，地面垂向振動(dòng)速度比水平方向振動(dòng)速度大；

（2）地面振動(dòng)頻率主要集中在5～30 Hz，峰值在10 Hz附近；

（3）距線路65 m處，兩水平方向振動(dòng)速度均低于VC-C標(biāo)準(zhǔn)，而垂向振動(dòng)速度20～30 μm/s，高于VC-C標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 鋼彈簧浮置板整體道床

鋼彈簧浮置板道床即在軌道板和橋梁間插入一鋼彈簧隔振器。軌道板長29．960 m，厚約0．475 m，寬2．800 m。鋼彈簧隔振器間距1．8 m，垂向剛度5．43 k N/m m，橫向剛度4．10 k N/m m，阻尼比為5%～10%。

鋼彈簧浮置板整體道床結(jié)構(gòu)在單線行車、車速70 km/h的工況下，距線路65 m處地面振動(dòng)速度見圖12。

由圖12可知：

（1）相對于減振墊浮置板道床，鋼彈簧浮置板整體道床能夠有效降低車致地面振動(dòng)；

（2）對于鋼彈簧浮置板整體道床軌道結(jié)構(gòu)，距線路65 m處，3個(gè)方向振動(dòng)速度均低于VC-C標(biāo)準(zhǔn)。

圖11 減振墊浮置板道床地面振動(dòng)響應(yīng)

圖12 鋼彈簧浮置板整體道床地面振動(dòng)響應(yīng)

5 結(jié)論

高架軌道交通所引起的地面振動(dòng)與場地條件、車輛、橋梁軌道結(jié)構(gòu)等因素息息相關(guān)，研究思路、成果可為類似工程提供參考。主要結(jié)論有：

（1）當(dāng)重型卡車經(jīng)過時(shí)，距城市道路邊緣65 m處垂向地面振動(dòng)速度20～30 μm/s，水平振動(dòng)速度低于10 μm/s；

（2）通過振源模型以及墩-樁-土傳播路徑模型，可預(yù)測高架軌道交通引起的地面環(huán)境振動(dòng)；

（3）在單線行車、車速70 km/h的情況下，當(dāng)采用減振墊浮置板道床結(jié)構(gòu)時(shí)，距線路65 m處垂向地面振動(dòng)速度20～30 μm/s，且頻率主要集中在5～30 Hz；

（4）在單線行車、車速70 km/h的情況下，當(dāng)采用鋼彈簧浮置板整體道床結(jié)構(gòu)時(shí)，距線路65 m處X、Y、Z方向地面振動(dòng)速度均低于VC-C標(biāo)準(zhǔn)（12．5 μm/s）。

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