某地铁荷载激励诱发临近医技楼建筑结构微振动响应分析

王帅昊 熊学祥

华南理工大学土木与交通学院

1 引言

地铁激荡起的振动是亟待解决的制约城市轨道交通发展的瓶颈问题之一，国内外都有地铁列车微振动导致周边建筑物破坏或建筑物内精密仪器受干扰的先例。关于地铁列车振动的研究主要涵盖了列车振源特点和振动传播特性及衰减规律、建筑构件共振时的二次辐射噪声、地铁列车振动的定性预测方法与定量监测方案、减隔振技术措施等[1]。这一系列研究大都可以分解为地铁振源、传播路径和周边建筑设施三大子系统，可以针对每个子系统进行理论研究和实测探讨后进行耦合分析[2]。研究地铁振动对精密仪器的不利影响并寻求解决方案时，需要统筹协调双方利益[3]。

本文以广州市某地铁线路及临近医技楼为研究对象（如图1所示），在确定了列车振源的模拟方法、模型参数的基础上，建立“列车钢轨-列车道床-盾构隧道-土体-医院建筑结构”的三维有限元分析模型并进行了数值模拟。现场的微振动监测与评估结果提供了部分的试验验证。该医院建筑质子室（4 间，位于地下室夹层西侧）内安装有精密仪器质子仪，规定要求在指定区域内的设备基础振动水平不能超过IEST-RP-CC012.1中的VC-A 标准（对应RMS 振动速度50mm/s～100mm/s，允许振动量为4Hz～8Hz 内加速度不超过260μg，8Hz～80Hz 内速度不超过50μm/s）。在建立模型前需要确定振动荷载的激励频率范围和周围土层的剪切波速[4]，因此在充分体现土体动力特征之余将土层简化。

2 数值模拟与计算

2.1 数值模拟方法与有限元分析模型

假定材料为各向同性和连续分布，只考虑自重应力场；锚杆、隧道衬砌、钢轨、楼板、桩柱等采用线弹性本构关系，各土层遵循Mohr-Columb 屈服准则。钢轨、道床与土层等采用实体单元；医院建筑结构的楼板、地下室外墙和剪力墙、盾构隧道管片等采用板单元，医院建筑结构的柱、桩基础等采用梁单元，隧道锚杆采用植入式桁架单元。整个模型共划分为176353 个单元（如图2所示），并合理施加边界约束。

2.2 最不利工况下各质子室振动响应计算结果分析

图1 项目平面布置图及医院质子室平面示意图

图2 MIDAS/GTS NX有限元分析模型示意图

图3 地铁运营最不利工况下质子室结构低频振动关系曲线

地铁列车以最大允许运营速度120km/h双向同时行驶状态是最不利工况，计算结果如图3所示。可见：最不利工况下地铁列车诱发的质子室振动处于弹性范围内，且建筑结构微振动主要表现为竖向振动。各动力响应点的振动峰值速度均远低于质子仪容许的基础振动上限值，合乎要求（未超过15μm/s，对应图略）；但是部分动力响应点振动峰值加速度已经超过了质子仪容许的上限值，需要选用恰当的减隔振技术措施。

2.3 最不利工况下各质子室振动时程曲线分析

时程曲线（同样以加速度为例）如图4所示，可见：列车激励引起质子室的振动响应都是随机的。最不利工况下，考虑的单个周期范围内有近九成时间内列车诱发质子仪的微振动都比较小（速度保持在3μm/s以下，加速度保持在150μm/s2以下），余下的时间会呈现一个明显的波峰（其出现和消亡都比较迅速）。

3 微振动现场监测与评估

任何单一的理论解析和数值模拟都无法将所有客观因素考虑在内。现场使用了12只高精度振动速度、加速度传感器，主要测定自然振源引起的振幅为10-3mm～10-4mm、频率为0.5Hz～20Hz的微振动波群。每个测点在测试时应同时测定2个水平方向和1 个垂直方向的地脉动，最终得到三向平均卓越周期值为0.188s。

4 结束语

（1）地铁列车诱发的医技楼质子室振动都处于弹性范围内，其中竖向振动是地铁列车运行引起周边建筑结构微振动的主要形式。确定正确的振源模拟方法和恰当的模型材料参数，可以得到客观公正的微振动效果评价。对于超过容许限值的情况要因地制宜、及时妥当选用减振降噪措施。

图4 地铁运营状态最不利工况下质子室振动时程曲线

（2）理论研究与实际工程不能脱节，采取现场振动测试是最直观明朗且真实准确地了解地铁列车通过时振源激励与敏感目标响应的手段，同时对于校核和评判解析解和数值解来说也是行之有效的一个办法。