地铁列车振动引起的箭楼动力响应

郭 家 奇

(大唐环境产业集团股份有限公司，北京 100097)

地铁列车振动引起的箭楼动力响应

郭 家 奇

(大唐环境产业集团股份有限公司，北京 100097)

通过分析北京正阳门箭楼与地铁2号线的位置关系，建立了箭楼的动力分析模型，从振动位移、速度、频率等方面，探讨了箭楼在地铁振动影响下的动力响应特征，指出了地铁振动的危害，为制定古建筑的隔振防护措施提供了依据。

箭楼，振动速度，振动位移，频率

随着北京城市地铁建设规模不断扩大，地铁运营引起的环境振动和噪声问题日益显著[1，2]，尤其对于一些古旧的保护性建筑和文化遗产来讲，交通振动的危害是不可忽视的。

本文选取国家重点文物保护单位正阳门箭楼为研究对象，着重研究地铁列车振动影响下箭楼的动力响应，分析地铁列车振动的危害及古建筑的隔振防护措施。

1 箭楼动力响应计算

箭楼与地铁2号线的空间位置关系如图1所示。箭楼位于前门大街的南侧，地铁2号线正好位于前门大街正下方，以箭楼南北对称轴为X轴，隧道中心线为Y轴，如图2所示建立空间坐标系。箭楼为4层古建筑，动力计算模型简化为多支点体系，当地铁列车振动在地层中传播至箭楼底部时引起箭楼水平方向及垂直方向上的振动。

1.1 右洞列车振动的影响

在列车振动的作用下，箭楼在水平方向和垂直方向都将产生振动。在垂直方向上，由于箭楼自身的重力作用，垂直方向的振动对建筑的破坏作用小；而水平方向的振动对箭楼建筑结构的剪切破坏作用大，因此，本文主要计算分析箭楼在水平方向(即X轴方向)的振动特性，主要考察箭楼的振动速度特性。

在右洞地铁列车振动影响下，箭楼水平方向振动特性见图3。

1.2 左洞列车振动的影响

在左洞地铁列车振动影响下，箭楼水平方向振动特性如图4所示。

2 箭楼动力特性分析

由以上计算所得数据总结，可得到箭楼的振动特性数值如表1，表2所示。

表1 地铁列车振动影响下箭楼各层水平方向振动速度特性

表2 地铁列车振动影响下箭楼各层水平方向振动位移特性

从表1，表2可以看出，在地铁列车振动的影响下，箭楼各层的振动位移、振动速度整体上随着楼层增高而变大，其中1层～3层变化不明显，而顶层增大明显，分析该现象的原因为：当地铁列车振动沿建筑结构传播至建筑顶部时，振动无法再继续向上传播、耗散，而是在建筑顶部结构内发生反射向反方向传播，与原传播方向的振动发生叠加造成了建筑顶部振动的放大。左洞列车行驶时对箭楼的振动影响又较右洞情况明显，这是由于箭楼离左洞隧道更近造成的。

对右洞、左洞列车振动影响下箭楼顶层水平方向的振动速度时程特性进行频谱分析得到振动频谱图，如图5，图6所示。

从图5，图6可以看出，箭楼顶层振动速度的较大值主要集中在1.8 Hz～2.1 Hz，15 Hz～17 Hz，32 Hz～34 Hz这三个频段，从大量的现场振动实测统计，木结构古建筑的自振频率在2 Hz～3Hz，因此，当在1.8 Hz～2.1 Hz频段地铁列车振动影响下引起了古建筑的共振而产生古建筑最大振动。

3 结语

1)北京地铁2号线列车振动影响下，箭楼的水平方向最大振动速度为0.049 mm/s，在现行古建筑振动规范[6]的允许范围内，但是在长期地铁振动影响下，箭楼的建筑材料必将受到损坏。

2)计算得到箭楼较大振动速度幅值主要集中在1.8 Hz～2.1 Hz，15 Hz～17 Hz，32 Hz～34 Hz这三个频段，尤其是接近箭楼自振频率的1.8 Hz～2.1 Hz这一频段振动最明显。

[1] 刘维宁，马 蒙.地铁列车振动环境影响的预测、评估与控制[M].北京：科学出版社，2014.

[2] 马 蒙，刘维宁，丁德云.地铁列车引起的振动对西安钟楼的影响[J].北京交通大学学报，2010,34(4)：88-92.

[3] 冯军和，闫维明.列车随机激振荷载的数值模拟[J].振动与冲击，2008，27(2)：49-52．

[4] 李克飞.基于变速及曲线车轨耦合频域解析模型的地铁减振轨道动力特性研究[D].北京：北京交通大学，2012.

[5] 马 蒙.基于敏感度的地铁列车振动环境影响预测及动态评价体系研究[D].北京：北京交通大学，2012.

[6] GB/T 50452—2008，古建筑防工业振动技术规范[S].

The embrasured watchtower dynamic response caused by subway train vibration

Guo Jiaqi

(DatangEnvironmentalIndustryGroupLimitedCompanybyShare,Beijing100097,China)

Through the analysis on the location relationship of Beijing Zhengyang Gate embrasured watchtower and metro line 2,established the embrasured watchtower dynamic analysis model,from the vibration displacement,velocity,frequency and other aspects,discussed the dynamic response characteristics of embrasured watchtower under subway vibration influence,pointed out the dangers of subway vibration,provided basis for isolation protection measures of ancient architecture.

embrasured watchtower,vibration velocity,vibration displacement,frequency

2015-10-10

郭家奇(1985- )，男，工程师

1009-6825(2015)36-0036-02

TU311.3 < class="emphasis_bold">文献标识码：A

A