地面振动对建筑结构影响研究

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1、地面振动对建筑结构影响研究　　摘要：因地铁、路基及地基土等特性的复杂性，很难真实模拟地铁振源，为此，本文将利用实测地铁运营引起的地面振动加速度时程为振源，建立刚性地基建筑结构有限元模型，利用有限单元法计算分析地铁引起的建筑结构振动响应。考虑到本次测试结果及以往相关研究，地铁运营引起的振动主要有竖向为主，因此本文分析采用实测的铅垂向振动加速度时程作为激励对结构进行分析。关键词：地面振动、有限元模型、结构振动响应、振动加速度中图分类号：O324文献标识码：A文章编号：0引言10在高速运行的地铁系统中,地铁车辆、车轮和轨道系统三者的动力相互作用产生振动,并

2、通过结构(隧道基础和衬砌或桥梁的墩台及其基础)传递到周围的地层,进而通过土壤向四周传播,诱发附近地下结构以及建筑物的二次振动。其影响因素主要有:列车速度、车辆重量、钢轨类型、轨道结构(是否采用了隔振措施)、衬砌结构类型、隧道周围岩土层性质、隧道埋深等,地铁振动主要是由脉动力引起的。国内学者在轮轨关系、轮轨相互作用、车辆-轨道祸合动力学分析方面作了大量的工作,取得了一定成果,其思路主要是建立车辆二轨道系统动力学模型,通过计算得到地铁列车运行对地铁隧道产生的激励。1工程概况金融城高层项目在使用功能上包括有酒店、住宅等，考虑到使用过程中，住宅可能产生的投诉

3、率较高，因此本文以住宅项目为研究对象进行分析。金融城高层住宅项目为框架剪力墙结构，地下2层，地上裙房5层，第6层为转换层，7层～43层为塔楼。裙房高度为27.8m，塔楼高度为141.75m，塔楼平面如图1所示。轨道与A-A轴线约成14ﾟ角斜交，结构与轨道中心线最小垂线距离为9.2m，最大垂线距离为51.5m。2有限元动力特性分析为有效分析加速度荷载激励下建筑结构响应在空间上分布的差异性，使分析结果更加符合实际，本文采用三维有限元模型分析在地铁运营引起的振动激励下的建筑结构响应。框架-剪力墙建筑为空间梁-壳混合结构体系，为了确保获得尽可能

4、准确的动力特性，采用ETABS对该建筑建立空间有限元模型，并进行动力特性分析。有限元模型中梁、柱构件采用空间梁单元模拟，楼板和剪力墙采用膜单元模拟，不考虑填充墙对结构刚度的影响，在建模中仅考虑其质量，以质量单元模拟。图1塔楼标准层平面墙柱布置图10表1列出了模型前20阶自振频率。结构第一个竖向振型出现在33阶，其自振频率为10.007Hz。表1有限元模型前20阶自振频率3加速度时程输入相关研究表明不考虑土-建筑的耦合作用，地铁振动影响下建筑振动计算是偏于安全的；同时，因地铁、路基及地基土等特性的复杂性，很难真实模拟地铁振源。因此，本文在分析地铁环境振

5、动激励下建筑结构响应时，也不考虑地铁-土-建筑的耦合作用。模型中，地铁环境振动激励从建筑物的底部输入。实测时塔楼（T3）仅完成基础施工，上部结构未建，因此未在此处布置测点，故选择实测中产生最大加速度值的测区3测点3-1竖向加速度时程记录作为激励。该测区所处结构为地铁上盖建筑，具有代表性，将激励施加在离轨道中心线较远的住宅高层中进行分析所得结果是偏安全的。4结构响应分析运用建立的有限元模型，对拟建建筑的裙房和塔楼的加速度时程响应及1/310倍频谱特性进行分析。模型共有44176个结点，对其逐一进行既不可能也无必要；同时根据实测结果及以往研成果，地铁激励

6、引起的结构响应主要以Z向为主，因此选取具有代表意义的结点及楼层对结构的竖向加速度响应及其傅立叶谱和最大Z振级进行考察，所选取的结点及其在结构中的位置如图2所示。选取塔楼（T1）东北侧悬挑阳台角部结点254、楼板跨中结点291及裙房角部角柱结点625、楼板跨中结点699、边跨主梁跨中结点110、以及核心筒角部结点382作为分析对象，考察不同楼层相同结点位置的响应。(a)裙房考察结点（层号：-2、-1、4、5、6）(b)塔楼（T1）考察结点（层号：7、12、17、22、27、32、37、42）图2所选取的结点位置及编号4.1裙楼响应10图3和图4为分析所

7、得裙房边梁跨中结点110在第-2层（图例为M1，后文与此相同）、第-1层（图例为M2，后文与此相同）、第4层和第5层的竖向加速度时程曲线及其傅立叶谱。由图6可见，该点加速度时程曲线在各层基本保持相位一致，加速度峰值大小随着楼层增加而增大，与实测结果相比不太一致。这是由于在实测时，结构仅完成5层施工，相当于多层框架剪力墙结构，由于楼层少，高度小，结构刚度大；而分析模型为地下2层，地上43层，结构总高大，刚度相对较小，因此两者自振特性和动力响应均有较大区别。这一结果也验证了高层与超高层建筑对地铁荷载引起的振动有一定放大作用的论断。但同时需注意到两者差值仅

8、为0.014m/s2，可以认为其绝对值差别并不大。地铁传来的振动主要集中在2Hz～32Hz的低频频段，优势频