地铁列车运行的环境振动影响分析(Ⅱ)——结构时域振动.pdf

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卜1r叫—r地铁列车运行的环境振动影响分析(Ⅱ)——结构时域振动分析张玉红，陈茂庆，汤卓文，王长林l。1分析模型基本参数2有限元单元连接铀I铂l1第27卷第4期佛山科学技术学院学报(自然科学版)2009年7月列车引起的地面振动一般不会造成像地震那样的直接破坏，但它能引起附近一些建筑物结构的局部颤振，诱发建筑物二次振动，甚至在建筑物内引起二次结构噪声，这将严重干扰人们的日常生活、学习和工作[1]。在欧美等西方发达国家，轨道交通系统引起的振动对周围环境的影响早已引起人们的注意，并且把振动列为七大环境公害之一[2]。本文通过通用有限元软件ANSYS的参数化语言APDL二次开发建立的有限元分析模型，考虑基础结构和土体的动力相互作用，分析列车移动荷载引发的建筑物各层楼板二次振动规律。涉及半空间无限土层的振动模拟计算时，模型大小范围是单元网格划分时的重要问题，本模型土体宽度取为300m，深度50m；在X方向网格均匀划分，在y方向网格在每层土内均匀划分，层之间网格尺寸逐步增大。时间步长取0．01，完全满足精度要求。为了考虑基础结构和土体的动力相互作用，在建立本系统的力学模型时，存在着平面应变单元和梁单元两种不同类型单元的连接问题。平面应变单元每个结点有两个平动自由度，而梁单元每个结点有2个平动自由度和1个转动自由度，因此在桩基础和土体之间存在不同单元在结点处自由度不耦合问题。有限元法对不同类型单元问的连接问题有3种处理方法：约束方程法、过渡单元法和虚单元法。本文采用约束方程法，将梁的转动自由度用与梁单元共用结点的平面单元平动自由度的相关代数式表示。由于需要耦合的节点非常多，本文采用APDL来实现约束方程的建立。不同单元的连接如图1所示。图1中1、2、3、4、5为土体单元中的节点。0为梁单元的节点。假定梁单元节点5处的转角为汐，而“、口为节点的竖向和水平位移。JournalofUniversity(NaturalEdition)Jul．2009文章编号：1008—0171(2009)04—0064—05(佛山科学技术学院土木工程与建筑系。广东佛山528000)摘要：考虑基础结构和土体的动力相互作用，通过对地铁沿线附近建筑结构的时域位移、速度、加速度动力响应分析表明。列车运行对居住在轨道附近居民的日常生活有很大影响，需要加强对线路沿线居民区的隔振研究。关键词：列车荷载；结构振动；时域分析中图分类号：U211．3文献标识码：A图l单元连接收稿日期：2009—04—13基金项目：广东省自然科学基金资助项目(06029445)；佛山市科技发展专项资金资助项目(2006034B)作者简介：张玉红(1963．)。女，河南荥阳人，佛山科学技术学院教授，博士，硕士生导师。FoshanScienceV01．27No．40，532。4．
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_■巾母一—●3算例分析第4期张玉红等：地铁列车运行的环境振动影响分析(I)另外，由于接触是一种高度非线性行为，耗费大量的计算机资源，故本文暂不考虑桩和土之间的滑．移作用，而直接把桩和土体相同位置节点的竖向和横向自由度直接耦合在一起。3．1工程背景以在建广佛地铁沿线附近距轨道中心线15m的一桩基框架结构为算例，场地工程地质条件同文献E33。该框架结构总共12层，首层层高3．6m，标准层层高3．0rn，跨度为6．0rn，共3跨；柱子尺寸为600mm，梁尺寸为500mm。桩基础等效为800mm×800mm方形桩，长度为10在模拟框架结构时，本文假定各层楼板是平面内无限刚度的。为考虑梁上可能受到的板重、墙重和其他活荷载，采取将平面框架模型中梁密度人为增大的方法予以处理。假定框架开间为6．0m，板厚为mm，则按规范楼板恒载取为4．5kN／m2，活荷载取为2．0kN／m2，梁上线荷载取为6kN／m，梁的密度取为253．2结果分析以中跨梁上的跨中节点的动力响应代表当层楼板的动力响应，框架结构的各层楼板的动力响应如图2～7所示。从图2～7中可以看出，各层楼板的竖向位移、速度、加速度时程曲线以及水平位移、速度以及加速度时程曲线的形状几乎一致，但是幅值大小有所差异。水平位移、速度、加速度随着楼层的增大幅值减小。而各楼层的竖向动力响应则显得比较复杂。中间楼层的位移、速度以及加速度都比底层和顶层的幅值要小，总体上呈现出一个先减小后增大的过程。由于框架结构本身存在阻尼作用，动力响应从底层向上传播的过程中被耗散掉一部分，但是同时框架结构本身对振动又具有放大作用，很多测试试验都表明在铁路沿线附近的建筑的竖向振动沿楼层有一定的增大。可以认为，在1"-'7层中阻尼对结构的动力响应的影响起主要作用，在8"-'12层中结构动力放大作用起到主要作用，因此出现本文中竖向振动的先减小后增大的现象，恰恰反应了这两种作用对框架结构的影响。mm×600