高速铁路桥梁支座对周围建筑物的振动影响研究

梁文伟，高 健，宋建平，顾海龙，王 勇，高 旭

(中船双瑞(洛阳)特种装备股份有限公司，河南 洛阳 471000)

1 概述

高速铁路是世界交通运输领域的重大成果，其在我国得到了迅速发展。2020年是我国十三五规划的收官之年，也是《中长期铁路网规划》所定硬性目标的完成阶段。数据显示，截止到2020年年底，我国的铁路运营总里程达到14.6万km左右，其中已经开通运营的高速铁路达到3.8万km，对我国经济社会的发展发挥了重要的支撑作用[1]。

为了提高高速铁路的经济性以及高速铁路线路的高平顺性，避免线路下方土建工程的高挖方、填方，减小路基的不均匀沉降，桥梁结构在轨道交通中占有很高的比例，如图1所示。

列车在高速铁路桥梁上运行时，由于轨道不平顺、轮轨蛇形等内部激励，致使车桥系统发生振动，桥梁上部结构的振动经由梁体传递到支座、再通过支座传递到垫石及桥墩，最后振动由桥墩、承台、基础等传递到周围环境当中，对桥梁附近的建筑物产生振动影响，振动传递路线示意如图2所示。

过去不论城市还是农村，建筑物相对比较分散、稀疏，高铁桥梁离建筑物一般都较远，因此列车引起的振动对附近的环境和建筑物基本没有影响。现今，伴随着我国城镇化的迅猛发展，高铁桥梁逐渐延伸到城市和农村中密集的居民居住区、工业区和商业区[2]。而且，高速线路逐步由单线发展到网状，密度不断增加，货运和客运铁路荷载不断加重，列车速度不断提高，这使得高速铁路带来的振动问题日益显著。而且随着对高品质生活的追求，人们对环境振动与噪声的容忍程度越来越低。

由于交通系统引起的环境振动不像地震那样具有足够的破坏和颠覆力量，因此长期以来并没有受到专家学者的重视，也未有更深入的研究。但是这种长期的、隐形存在的振动，对文物古迹的保护、精密仪器的使用和人民的生产、生活等各方面确实造成了严重的威胁。因此，目前国际上已经把振动列为七大环境公害之一，而交通系统又是引起环境振动的主要原因之一[3]。通常，高速列车通过高架桥梁所引起的振动危害总结下来主要集中在以下几个方面：

1)对周边建筑物的影响，包括现代建筑和古建筑；2)影响人们的生产和生活；3)影响工厂和实验室里精密仪器的正常使用；4)影响人们身体健康等。据研究，振动达到一定级别后，长期作用在人身上会引起不同程度的器官损伤，也会造成不同程度的精神问题。

综上所述，高速铁路的发展虽然整体符合国家经济发展、人民便利生活的需求，但也同时造成了一些环境振动污染问题。我们迫切需要平衡这些矛盾，研究并处理高速铁路发展与人居环境保护的关系。因此，开展高速铁路桥梁的减隔振措施研究具有十分重要的现实意义。

2 桥梁减隔振支座的研究

对于大多数桥梁结构形式而言，支座是桥梁结构的一个必不可少的组成部分，若能确定一种合理的支座模型，通过分析其关键参数对桥梁结构受交通荷载引起的振动控制的影响规律，将能够对轨道交通桥梁结构引起的环境振动控制提供一种新的思路和方法。

高速铁路桥梁引起的振动向下传递通过基础传递到周围土壤，再传递到线路附近的建筑物内。经研究，振动的优势频段为1 Hz～80 Hz的不连续、不规律的振动。避免振动波传递的最有效的途径是利用弹簧-阻尼系统进行隔振，其原理为将振源与传播路径和受振体之间插入弹性连接来减轻振动能量的传递。其基本的思想是：通过在结构中插入一个低频的简谐振荡器，从而降低桥梁下部结构对桥梁上部结构振动的敏感程度。因此，一个解决思路是在梁体和桥墩之间设置具有一定弹性的桥梁支座[4]。

综合目前国内外相关研究，隔振支座主要有两种形式：

1)在支座中加入橡胶等非金属材料，从而增加支座的阻尼和适当降低支座刚度。

2)在支座竖向串联一弹性元件，从而降低支座刚度。

上述桥梁隔振支座的共同点均是适当降低支座刚度，从而降低支座基频，使得支座基频设计值在10 Hz～14 Hz左右[5](见图3)。

针对目前高铁桥梁常见的球型支座、盆式橡胶支座以及具备隔振功能的桥梁支座对桥梁周围建筑物的振动影响的研究尚属于空白。因此，本文主要针对高速铁路简支梁桥常见的普通球型支座、盆式橡胶支座以及竖向隔振支座，分析研究其对周围建筑物的振动影响。

3 车-线-桥-场地土-邻近建筑耦合系统模型

与一般路基线路的轨道交通相比，高架轨道交通因其具有更为复杂的结构形式及荷载传递路径，使得高速铁路桥梁段环境振动的振源激励与传播过程相比路基段更为复杂。在环境振动问题中，高速铁路桥梁段相对于路基段具有如下特点：1)列车运行产生的轮轨动荷载经由轨道结构、梁体、支座、桥墩和桥梁基础等传递到基础周围的地基土中，因而荷载传递路径更为复杂；2)桥梁本身是由一定空间间隔的桥墩支撑的架空结构，桥墩和基础在桥梁延伸方向按一定间距设置，因而由基础传递至地基的激振荷载位置是固定的且是空间不连续的；3)高架桥多采用桩基础，对于地基土中特定观测点而言，其响应由桩基上不同位置和深度的基础-地基相互作用点所激发的相位各有差异的振动波叠加得到。此外列车在高架桥上运行时，以一定时间间隔先后通过各个桥墩，使得各桥墩位置处的振源激励存在一定相位差。因此，高速铁路桥梁段引起的地基土振动应考虑上述两重相位差影响。

为简化分析，模型采用如下假设：

1)高速列车振动传递到土壤中的振动响应幅值比较小，因此可以假设地基土模型材料为小变形和线弹性。

2)对于双线高速铁路桥梁，列车荷载相对于箱梁中轴线存在一定偏心从而会产生扭矩，仿真分析时不考虑箱梁的扭转振动，同时也不考虑箱梁截面扭转对箱梁竖向挠度的影响。

考虑到高速铁路桥梁板式无砟轨道的特点，车-线-桥耦合模型中，钢轨采用无限长Euler-Bernoulli梁模拟，轨道板和箱梁可模拟为两端自由的Euler-Bernoulli梁。钢轨扣件、自密实混凝土层及桥梁支座均采用复刚度弹簧进行模拟。

本文首先采用通用有限元分析软件建立桥梁、桥墩、桩土、建筑物等有限元模型。然后利用动力学软件建立列车、轨道、扣件、支座等模型。通过两个软件的信息交流，最终在动力学软件里实现联合仿真分析。其中车辆参数如表1所示、桥梁参数如表2所示、桥墩参数如表3所示、土体参数采用表4中的Ⅲ类场地土、土体计算规模取5倍基础尺寸，在土体计算域截断处采用黏弹性人工边界；轨道不平顺采用美国六级轨道不平顺谱；桥梁支座则分别釆用盆式橡胶支座，普通球型支座和减振降噪球型支座，支座竖向基频设置根据支座竖向刚度测试值换算得到，具体值如表5所示。建筑物参数选取表6中的框架结构。所建车-线-桥-场地土-邻近建筑物整体模型如图4所示。

表1 列车基本参数

表2 桥梁模型各项基本参数

表3 圆柱形实体墩各项基本参数

表4 地基土基本物理参数

表5 支座基频设置

表6 框架结构基本参数

4 车-线-桥耦合振动对邻近建筑的振动影响

4.1 采用不同支座类型时对邻近建筑物的影响

为分析采用不同支座类型对邻近建筑物振动的影响，支座分别选择盆式橡胶支座、普通球型支座和隔振球型支座。车速设定为300 km/h，建筑物距离桥梁40 m(距桥梁中线)，对比分析了5层钢筋混凝土框架结构的各层竖向加速度、位移。

表7～表11分别给出了采用不同类型支座时的周边建筑各层的加速度、位移幅值。

图5，图6分别绘出了周边建筑各层竖向加速度幅值、竖向位移幅值随着不同支座类型而变化的曲线。

表7 采用不同支座类型的建筑一层处的加速度、位移幅值的变化

表8 采用不同支座类型的建筑二层处的加速度、位移幅值的变化

表9 采用不同支座类型的建筑三层处的加速度、位移幅值的变化

表10 采用不同支座类型的建筑四层处的加速度、位移幅值的变化

表11 采用不同支座类型的建筑五层处的加速度、位移幅值的变化

从表7～表11，图5和图6可以看出对于建筑物的竖向振动来说，减隔振效果分别为：隔振球型支座>盆式橡胶支座>普通球型支座。从不同楼层的角度看，随着楼层的增加，竖向振动幅值基本无变化。

4.2 建筑物距离振源不同时对建筑物的振动影响

为了分析建筑物距离桥梁不同时的振动规律。模型分别取：20 m,40 m(4.1小节),80 m,160 m和320 m。车速选择300 km/h。表12～表16为不同距离时，采用三种类型的支座时的建筑物5层的振动数据。根据竖向加速度值换算得到振级数据如表17所示,城市各类区域铅锤向振级数据如表18所示。

表12 建筑物距桥梁20 m时顶层振动加速度、位移幅值的变化

表13 建筑物距桥梁40 m时顶层振动加速度、位移幅值的变化

表14 建筑物距桥梁80 m时顶层振动加速度、位移幅值的变化

表15 建筑物距桥梁160 m时顶层振动加速度、位移幅值的变化

表16 建筑物距桥梁320 m时顶层振动加速度、位移幅值的变化

表17 不同振源距离下建筑竖向振动振级

表18 城市各类区域铅锤向振级标准值 dB

由表12～表18数据，可以得到如下结论：

1)由表12～表16可得，建筑物距离桥墩随着距离的增加，竖向振动在减弱，且基本呈现线性减少。不同距离下，建筑振动强弱均为：普通球型支座>盆式橡胶支座>隔振球型支座。

2)由表17，表18可得，建筑物距离桥梁40 m以内(包括)，采用盆式橡胶支座和普通球型支座时振动全部超过城市区域振动限值，采用隔振支座基本能满足所有城市区域建筑的振动限制要求。而随着距离的增加，当建筑物距离桥梁超过160 m后，除特殊住宅区外，对于其他类型区域采用三种类型支座均能满足控制要求。当建筑物距离桥梁超过320 m以上时，采用三种类型的支座均能满足所有区域的建筑的振动控制要求。

5 结论

本文建立了车-线-桥-场地土-邻近建筑物耦合系统模型。研究了车线桥耦合振动对邻近建筑物振动的影响，得到以下结论：1)建筑物距离桥梁振源一定时，各楼层的竖向振动变化不大，隔振支座竖向隔振性能>盆式橡胶支座>普通球型支座。2)随着建筑物距离桥梁振源的增加，竖向振动在减弱。3)根据《城市区域环境振动标准》，当建筑物距离桥梁振源不大于40 m时，采用隔振支座能满足绝大多数类型建筑区域的振动限制要求。当建筑物距离桥梁振源大于320 m时，采用三种类型的支座，建筑物振动均能达到要求。当建筑物距离桥梁振源在40 m以上320 m以下时，可根据房屋区域类型合理选用支座类型。