高速鐵路橋梁支座對周圍建筑物的振動影響研究

梁文偉，高 健，宋建平，顧海龍，王 勇，高 旭

(中船雙瑞(洛陽)特種裝備股份有限公司，河南 洛陽 471000)

1 概述

高速鐵路是世界交通運輸領域的重大成果，其在我國得到了迅速發展。2020年是我國十三五規劃的收官之年，也是《中長期鐵路網規劃》所定硬性目標的完成階段。數據顯示，截止到2020年年底，我國的鐵路運營總里程達到14.6萬km左右，其中已經開通運營的高速鐵路達到3.8萬km，對我國經濟社會的發展發揮了重要的支撐作用[1]。

為了提高高速鐵路的經濟性以及高速鐵路線路的高平順性，避免線路下方土建工程的高挖方、填方，減小路基的不均勻沉降，橋梁結構在軌道交通中占有很高的比例，如圖1所示。

列車在高速鐵路橋梁上運行時，由于軌道不平順、輪軌蛇形等內部激勵，致使車橋系統發生振動，橋梁上部結構的振動經由梁體傳遞到支座、再通過支座傳遞到墊石及橋墩，最后振動由橋墩、承臺、基礎等傳遞到周圍環境當中，對橋梁附近的建筑物產生振動影響，振動傳遞路線示意如圖2所示。

過去不論城市還是農村，建筑物相對比較分散、稀疏，高鐵橋梁離建筑物一般都較遠，因此列車引起的振動對附近的環境和建筑物基本沒有影響。現今，伴隨著我國城鎮化的迅猛發展，高鐵橋梁逐漸延伸到城市和農村中密集的居民居住區、工業區和商業區[2]。而且，高速線路逐步由單線發展到網狀，密度不斷增加，貨運和客運鐵路荷載不斷加重，列車速度不斷提高，這使得高速鐵路帶來的振動問題日益顯著。而且隨著對高品質生活的追求，人們對環境振動與噪聲的容忍程度越來越低。

由于交通系統引起的環境振動不像地震那樣具有足夠的破壞和顛覆力量，因此長期以來并沒有受到專家學者的重視，也未有更深入的研究。但是這種長期的、隱形存在的振動，對文物古跡的保護、精密儀器的使用和人民的生產、生活等各方面確實造成了嚴重的威脅。因此，目前國際上已經把振動列為七大環境公害之一，而交通系統又是引起環境振動的主要原因之一[3]。通常，高速列車通過高架橋梁所引起的振動危害總結下來主要集中在以下幾個方面：

1)對周邊建筑物的影響，包括現代建筑和古建筑；2)影響人們的生產和生活；3)影響工廠和實驗室里精密儀器的正常使用；4)影響人們身體健康等。據研究，振動達到一定級別后，長期作用在人身上會引起不同程度的器官損傷，也會造成不同程度的精神問題。

綜上所述，高速鐵路的發展雖然整體符合國家經濟發展、人民便利生活的需求，但也同時造成了一些環境振動污染問題。我們迫切需要平衡這些矛盾，研究并處理高速鐵路發展與人居環境保護的關系。因此，開展高速鐵路橋梁的減隔振措施研究具有十分重要的現實意義。

2 橋梁減隔振支座的研究

對于大多數橋梁結構形式而言，支座是橋梁結構的一個必不可少的組成部分，若能確定一種合理的支座模型，通過分析其關鍵參數對橋梁結構受交通荷載引起的振動控制的影響規律，將能夠對軌道交通橋梁結構引起的環境振動控制提供一種新的思路和方法。

高速鐵路橋梁引起的振動向下傳遞通過基礎傳遞到周圍土壤，再傳遞到線路附近的建筑物內。經研究，振動的優勢頻段為1 Hz～80 Hz的不連續、不規律的振動。避免振動波傳遞的最有效的途徑是利用彈簧-阻尼系統進行隔振，其原理為將振源與傳播路徑和受振體之間插入彈性連接來減輕振動能量的傳遞。其基本的思想是：通過在結構中插入一個低頻的簡諧振蕩器，從而降低橋梁下部結構對橋梁上部結構振動的敏感程度。因此，一個解決思路是在梁體和橋墩之間設置具有一定彈性的橋梁支座[4]。

綜合目前國內外相關研究，隔振支座主要有兩種形式：

1)在支座中加入橡膠等非金屬材料，從而增加支座的阻尼和適當降低支座剛度。

2)在支座豎向串聯一彈性元件，從而降低支座剛度。

上述橋梁隔振支座的共同點均是適當降低支座剛度，從而降低支座基頻，使得支座基頻設計值在10 Hz～14 Hz左右[5](見圖3)。

針對目前高鐵橋梁常見的球型支座、盆式橡膠支座以及具備隔振功能的橋梁支座對橋梁周圍建筑物的振動影響的研究尚屬于空白。因此，本文主要針對高速鐵路簡支梁橋常見的普通球型支座、盆式橡膠支座以及豎向隔振支座，分析研究其對周圍建筑物的振動影響。

3 車-線-橋-場地土-鄰近建筑耦合系統模型

與一般路基線路的軌道交通相比，高架軌道交通因其具有更為復雜的結構形式及荷載傳遞路徑，使得高速鐵路橋梁段環境振動的振源激勵與傳播過程相比路基段更為復雜。在環境振動問題中，高速鐵路橋梁段相對于路基段具有如下特點：1)列車運行產生的輪軌動荷載經由軌道結構、梁體、支座、橋墩和橋梁基礎等傳遞到基礎周圍的地基土中，因而荷載傳遞路徑更為復雜；2)橋梁本身是由一定空間間隔的橋墩支撐的架空結構，橋墩和基礎在橋梁延伸方向按一定間距設置，因而由基礎傳遞至地基的激振荷載位置是固定的且是空間不連續的；3)高架橋多采用樁基礎，對于地基土中特定觀測點而言，其響應由樁基上不同位置和深度的基礎-地基相互作用點所激發的相位各有差異的振動波疊加得到。此外列車在高架橋上運行時，以一定時間間隔先后通過各個橋墩，使得各橋墩位置處的振源激勵存在一定相位差。因此，高速鐵路橋梁段引起的地基土振動應考慮上述兩重相位差影響。

為簡化分析，模型采用如下假設：

1)高速列車振動傳遞到土壤中的振動響應幅值比較小，因此可以假設地基土模型材料為小變形和線彈性。

2)對于雙線高速鐵路橋梁，列車荷載相對于箱梁中軸線存在一定偏心從而會產生扭矩，仿真分析時不考慮箱梁的扭轉振動，同時也不考慮箱梁截面扭轉對箱梁豎向撓度的影響。

考慮到高速鐵路橋梁板式無砟軌道的特點，車-線-橋耦合模型中，鋼軌采用無限長Euler-Bernoulli梁模擬，軌道板和箱梁可模擬為兩端自由的Euler-Bernoulli梁。鋼軌扣件、自密實混凝土層及橋梁支座均采用復剛度彈簧進行模擬。

本文首先采用通用有限元分析軟件建立橋梁、橋墩、樁土、建筑物等有限元模型。然后利用動力學軟件建立列車、軌道、扣件、支座等模型。通過兩個軟件的信息交流，最終在動力學軟件里實現聯合仿真分析。其中車輛參數如表1所示、橋梁參數如表2所示、橋墩參數如表3所示、土體參數采用表4中的Ⅲ類場地土、土體計算規模取5倍基礎尺寸，在土體計算域截斷處采用黏彈性人工邊界；軌道不平順采用美國六級軌道不平順譜；橋梁支座則分別釆用盆式橡膠支座，普通球型支座和減振降噪球型支座，支座豎向基頻設置根據支座豎向剛度測試值換算得到，具體值如表5所示。建筑物參數選取表6中的框架結構。所建車-線-橋-場地土-鄰近建筑物整體模型如圖4所示。

表1 列車基本參數

表2 橋梁模型各項基本參數

表3 圓柱形實體墩各項基本參數

表4 地基土基本物理參數

表5 支座基頻設置

表6 框架結構基本參數

4 車-線-橋耦合振動對鄰近建筑的振動影響

4.1 采用不同支座類型時對鄰近建筑物的影響

為分析采用不同支座類型對鄰近建筑物振動的影響，支座分別選擇盆式橡膠支座、普通球型支座和隔振球型支座。車速設定為300 km/h，建筑物距離橋梁40 m(距橋梁中線)，對比分析了5層鋼筋混凝土框架結構的各層豎向加速度、位移。

表7～表11分別給出了采用不同類型支座時的周邊建筑各層的加速度、位移幅值。

圖5，圖6分別繪出了周邊建筑各層豎向加速度幅值、豎向位移幅值隨著不同支座類型而變化的曲線。

表7 采用不同支座類型的建筑一層處的加速度、位移幅值的變化

表8 采用不同支座類型的建筑二層處的加速度、位移幅值的變化

表9 采用不同支座類型的建筑三層處的加速度、位移幅值的變化

表10 采用不同支座類型的建筑四層處的加速度、位移幅值的變化

表11 采用不同支座類型的建筑五層處的加速度、位移幅值的變化

從表7～表11，圖5和圖6可以看出對于建筑物的豎向振動來說，減隔振效果分別為：隔振球型支座>盆式橡膠支座>普通球型支座。從不同樓層的角度看，隨著樓層的增加，豎向振動幅值基本無變化。

4.2 建筑物距離振源不同時對建筑物的振動影響

為了分析建筑物距離橋梁不同時的振動規律。模型分別取：20 m,40 m(4.1小節),80 m,160 m和320 m。車速選擇300 km/h。表12～表16為不同距離時，采用三種類型的支座時的建筑物5層的振動數據。根據豎向加速度值換算得到振級數據如表17所示,城市各類區域鉛錘向振級數據如表18所示。

表12 建筑物距橋梁20 m時頂層振動加速度、位移幅值的變化

表13 建筑物距橋梁40 m時頂層振動加速度、位移幅值的變化

表14 建筑物距橋梁80 m時頂層振動加速度、位移幅值的變化

表15 建筑物距橋梁160 m時頂層振動加速度、位移幅值的變化

表16 建筑物距橋梁320 m時頂層振動加速度、位移幅值的變化

表17 不同振源距離下建筑豎向振動振級

表18 城市各類區域鉛錘向振級標準值 dB

由表12～表18數據，可以得到如下結論：

1)由表12～表16可得，建筑物距離橋墩隨著距離的增加，豎向振動在減弱，且基本呈現線性減少。不同距離下，建筑振動強弱均為：普通球型支座>盆式橡膠支座>隔振球型支座。

2)由表17，表18可得，建筑物距離橋梁40 m以內(包括)，采用盆式橡膠支座和普通球型支座時振動全部超過城市區域振動限值，采用隔振支座基本能滿足所有城市區域建筑的振動限制要求。而隨著距離的增加，當建筑物距離橋梁超過160 m后，除特殊住宅區外，對于其他類型區域采用三種類型支座均能滿足控制要求。當建筑物距離橋梁超過320 m以上時，采用三種類型的支座均能滿足所有區域的建筑的振動控制要求。

5 結論

本文建立了車-線-橋-場地土-鄰近建筑物耦合系統模型。研究了車線橋耦合振動對鄰近建筑物振動的影響，得到以下結論：1)建筑物距離橋梁振源一定時，各樓層的豎向振動變化不大，隔振支座豎向隔振性能>盆式橡膠支座>普通球型支座。2)隨著建筑物距離橋梁振源的增加，豎向振動在減弱。3)根據《城市區域環境振動標準》，當建筑物距離橋梁振源不大于40 m時，采用隔振支座能滿足絕大多數類型建筑區域的振動限制要求。當建筑物距離橋梁振源大于320 m時，采用三種類型的支座，建筑物振動均能達到要求。當建筑物距離橋梁振源在40 m以上320 m以下時，可根據房屋區域類型合理選用支座類型。