地鐵列車振動引起的箭樓動力響應

郭 家 奇

(大唐環境產業集團股份有限公司，北京 100097)

地鐵列車振動引起的箭樓動力響應

郭 家 奇

(大唐環境產業集團股份有限公司，北京 100097)

通過分析北京正陽門箭樓與地鐵2號線的位置關系，建立了箭樓的動力分析模型，從振動位移、速度、頻率等方面，探討了箭樓在地鐵振動影響下的動力響應特征，指出了地鐵振動的危害，為制定古建筑的隔振防護措施提供了依據。

箭樓，振動速度，振動位移，頻率

隨著北京城市地鐵建設規模不斷擴大，地鐵運營引起的環境振動和噪聲問題日益顯著[1，2]，尤其對于一些古舊的保護性建筑和文化遺產來講，交通振動的危害是不可忽視的。

本文選取國家重點文物保護單位正陽門箭樓為研究對象，著重研究地鐵列車振動影響下箭樓的動力響應，分析地鐵列車振動的危害及古建筑的隔振防護措施。

1 箭樓動力響應計算

箭樓與地鐵2號線的空間位置關系如圖1所示。箭樓位于前門大街的南側，地鐵2號線正好位于前門大街正下方，以箭樓南北對稱軸為X軸，隧道中心線為Y軸，如圖2所示建立空間坐標系。箭樓為4層古建筑，動力計算模型簡化為多支點體系，當地鐵列車振動在地層中傳播至箭樓底部時引起箭樓水平方向及垂直方向上的振動。

1.1 右洞列車振動的影響

在列車振動的作用下，箭樓在水平方向和垂直方向都將產生振動。在垂直方向上，由于箭樓自身的重力作用，垂直方向的振動對建筑的破壞作用小；而水平方向的振動對箭樓建筑結構的剪切破壞作用大，因此，本文主要計算分析箭樓在水平方向(即X軸方向)的振動特性，主要考察箭樓的振動速度特性。

在右洞地鐵列車振動影響下，箭樓水平方向振動特性見圖3。

1.2 左洞列車振動的影響

在左洞地鐵列車振動影響下，箭樓水平方向振動特性如圖4所示。

2 箭樓動力特性分析

由以上計算所得數據總結，可得到箭樓的振動特性數值如表1，表2所示。

表1 地鐵列車振動影響下箭樓各層水平方向振動速度特性

表2 地鐵列車振動影響下箭樓各層水平方向振動位移特性

從表1，表2可以看出，在地鐵列車振動的影響下，箭樓各層的振動位移、振動速度整體上隨著樓層增高而變大，其中1層～3層變化不明顯，而頂層增大明顯，分析該現象的原因為：當地鐵列車振動沿建筑結構傳播至建筑頂部時，振動無法再繼續向上傳播、耗散，而是在建筑頂部結構內發生反射向反方向傳播，與原傳播方向的振動發生疊加造成了建筑頂部振動的放大。左洞列車行駛時對箭樓的振動影響又較右洞情況明顯，這是由于箭樓離左洞隧道更近造成的。

對右洞、左洞列車振動影響下箭樓頂層水平方向的振動速度時程特性進行頻譜分析得到振動頻譜圖，如圖5，圖6所示。

從圖5，圖6可以看出，箭樓頂層振動速度的較大值主要集中在1.8 Hz～2.1 Hz，15 Hz～17 Hz，32 Hz～34 Hz這三個頻段，從大量的現場振動實測統計，木結構古建筑的自振頻率在2 Hz～3Hz，因此，當在1.8 Hz～2.1 Hz頻段地鐵列車振動影響下引起了古建筑的共振而產生古建筑最大振動。

3 結語

1)北京地鐵2號線列車振動影響下，箭樓的水平方向最大振動速度為0.049 mm/s，在現行古建筑振動規范[6]的允許范圍內，但是在長期地鐵振動影響下，箭樓的建筑材料必將受到損壞。

2)計算得到箭樓較大振動速度幅值主要集中在1.8 Hz～2.1 Hz，15 Hz～17 Hz，32 Hz～34 Hz這三個頻段，尤其是接近箭樓自振頻率的1.8 Hz～2.1 Hz這一頻段振動最明顯。

[1] 劉維寧，馬 蒙.地鐵列車振動環境影響的預測、評估與控制[M].北京：科學出版社，2014.

[2] 馬 蒙，劉維寧，丁德云.地鐵列車引起的振動對西安鐘樓的影響[J].北京交通大學學報，2010,34(4)：88-92.

[3] 馮軍和，閆維明.列車隨機激振荷載的數值模擬[J].振動與沖擊，2008，27(2)：49-52．

[4] 李克飛.基于變速及曲線車軌耦合頻域解析模型的地鐵減振軌道動力特性研究[D].北京：北京交通大學，2012.

[5] 馬 蒙.基于敏感度的地鐵列車振動環境影響預測及動態評價體系研究[D].北京：北京交通大學，2012.

[6] GB/T 50452—2008，古建筑防工業振動技術規范[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，工程師

1009-6825(2015)36-0036-02

TU311.3 < class="emphasis_bold">文獻標識碼：A

A