4 有限元数值分析

    由于城市轨道交通系统引起的振动较为复杂,涉及地铁轨道道床、隧道结构形式, 场地土层类型,邻近建筑物的基础、结构形式等多种因素。而地铁在线路上运行产生的振源是一连串移动式作用点,对地面形成迭加作用, 较为特殊。同时, 埋置于土中的地下结构在动荷载的作用下, 土与结构的动力相互作用不可忽视, 是否考虑土与结构相互作用, 其计算结果将相差很大。土中的地下结构由于土体介质的存在, 将使结构的振动特性发生很大的变化, 其结构的动力性能很可能完全改观, 因此对城市轨道交通系统引起的振动进行分析具有一定的复杂性。

    动力有限元法是目前研究土与结构动力相互作用的最常用的数值计算方法, 是随着有限元法的发展与结构动力学理论的日趋成熟而逐渐发展起来的。

    动力有限元法可以方便地处理介质的非均匀性、各向异性、非线性以及复杂的几何形状及边界条件, 因此可以进行地下结构动力特性的全面深入的研究。

    由于地面水平方向振动在传导过程中的衰减要快于竖向( 铅锤向) 的振动, 沿线建筑物内竖向振动多大于水平方向的振动, 因此在评价建筑物受地铁振动的影响时, 可以竖向振动为主。地铁列车竖向振动荷载如图 1 所示, 由于地铁在线路上运行产生的是一连串移动振源, 可在不同时刻在不同的计算断面上施加荷载, 如图 2 中的 1、2……n 断面在不同的时间分别施加荷载 P1、P2……Pn。

    建筑物在地铁引发振动下的响应分析, 过去的研究多为在一个二维体系或两个正交的二维体系下的分析, 但仅当建筑物沿隧道方向有着相当长度及一致性时方可勉强简化为二维情况进行分析, 而实际情况中极难满足这些要求。因此, 本文针对某地铁穿越其下的建筑物, 建立了地铁隧道、土体及邻近建筑物的三维整体模型(如图 3), 对隧道及建筑物在列车振动荷载作用下的动力响应进行有限元分析[5]。

    研究表明, 在类似工程地质条件下, 地铁振动对其穿越或紧邻建筑物的影响以体波为主, 以通过体波将振动能量直接传至建筑物基础再影响上部结构为主要方式, 面波对于该建筑物上部结构的影响甚微[5]。

    5 结语

    城市轨道交通系统不仅有效地缓解了交通拥挤状况, 同时还极大地推动了社会经济发展, 加快城市化建设步伐。由于国内已进入了城市轨道交通系统以及城市化建设的高峰期, 积极开展城市轨道交通系统对周围建筑物的振动影响的研究, 不仅可以较为准确地评估其现有的影响, 同时将使以后的城市轨道交通系统的规划、建设更加全面、科学, 具有较强的前瞻性, 对于保护生态环境和社会可持续发展具有重要的现实意义。同时, 由于地铁引发的建筑物振动

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