摘 要

本文对武汉某地铁车辆段运用库内振源荷载进行现场实测，然后运用ANSYS有限元软件建立该车辆段上盖住宅的精细化有限元模型，将实测振源荷载作为输入激励，并分析了对上盖建筑物的动力响应，得出的一些结论可为后续地铁车辆段上盖物业的合理设计提供一些参考。

本文主要研究了地铁车辆段上盖住宅在列车荷载的作用下的动力响应，列车荷载属于弱振，不会影响结构的安全性，但会影响建筑内人们的舒适性，因此准确分析列车诱发地铁车辆段上盖住宅的动力响应规律十分重要。

研究结果表明：水平向的振动加速度峰值总体上是随层高增大而减小，铅垂向的振动加速度峰值随层高先减小后增大；三个方向的振动主频率集中在20Hz~40Hz之间，频率峰值均在30Hz附近；振源强度对地铁车辆段上盖住宅动力响应的影响很大，随着振源荷载的增大，地铁车辆段上盖住宅的动力响应明显增大。

本文的特色：地铁车辆段上盖物业作为一种新型的建筑组织形式，出现的历史较短，国内外对这方面的研究较少，因此本文以武汉某地铁车辆段上盖住宅为研究对象，计算其在列车荷载作用下水平向的动力响应，并分析振源强度、楼层等参数对地铁车辆段上盖住宅动力响应的影响规律。

关键词：地铁车辆段；上盖住宅；弱振；精细化有限元模型；动力响应

Abstract

In this paper, a Metro depot in Wuhan is measured on the spot by using the vibration source load in the depot, and then a refined finite element model of the over-track residence of the depot is established by using ANSYS finite element software. The measured vibration source load is used as input excitation, and the dynamic response of the over-track residence is analyzed. Some conclusions are drawn which can provide some references for the reasonable design of the over-track residence of the subsequent Metro depot.

This paper mainly studies the dynamic response of the over-track residence of Metro depot under the action of train load. The train load belongs to weak vibration, which will not affect the safety of the structure, but will affect the comfort of the people in the building. Therefore, it is very important to accurately analyze the dynamic response law of the over-track residence of Metro depot induced by train.

The results show that the peak value of horizontal vibration acceleration decreases with the increase of floor height, and the peak value of vertical vibration acceleration decreases first and then increases with the increase of floor height; the main frequencies of vibration in the three directions are concentrated between 20Hz and 40Hz, and the peak frequencies are all around 30Hz; the intensity of vibration source has a great influence on the dynamic response of the residence on the upper cover of the Metro depot, and with the increase of the source load, the ground vibration acceleration increases. The dynamic response of the over-track residence of the railway depot increases obviously.

The characteristics of this paper are as follows: as a new type of building organization, the history of the over-track residence of Metro depot is relatively short, and there is little research on this aspect at home and abroad. Therefore, this paper takes the over-track residence of a Metro Depot in Wuhan as the research object, calculates its horizontal dynamic response under the action of train load, and analyses the influence of vibration source strength, floor and other parameters on the over-track residence of Metro depot. The influence law of dynamic response.

Key words: metro depot; over-track residence; weak vibration; refined finite element model; dynamic response

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.2 地铁车辆段上盖物业的开发形式及结构特点 1

1.2.1 列车引起上盖建筑物振动特性与反应规律的研究 2

1.3 存在的问题 3

1.4 本文所做的工作及创新点 4

第2章 武汉市某地铁车辆段列车振源荷载及有限元模型的建立 5

2.1 工程简介 5

2.2 振动测试方案 6

2.2.1 振源荷载实测 6

2.2.2 实测结果分析 6

2.3 有限元模型的建立 9

2.3.1 计算区段选区 9

2.3.2 荷载输入方法 9

2.3.3 有限元模型 10

2.3.4 模态分析 11

2.3.5 模型验证 12

2.4 本章小结 13

第3章 武汉市某地铁车辆段上盖住宅动力响应分析 14

3.1 引言 14

3.2 地铁车辆段上盖住宅动力响应分析 14

3.2.1 振动加速度的时频分析 15

3.2.2 不同部位对上盖住宅动力响应的影响 22

3.2.3 源强对上盖住宅动力响应的影响 24

3.3 本章小结 26

第4章 结论 28

4.1 结论 28

4.2 展望 29

参考文献 30

致谢 31

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

现如今，城市轨道交通发展十分迅速，城市土地资源变得越来越紧张。地铁车辆段是列车停放、检修和运营的场所，占地面积大，并且上部空间大面积空闲，因此为了增加土地的利用率，增加投资回报率，自北京率先进行八王坟地铁车辆段上盖物业的开发后，国内的一些其他城市也相继开展了地铁车辆段上盖物业的开发，比如广州、上海、武汉、杭州等这些城市。地铁上盖物业一般指与地铁出入口相连或者在其附近的建筑物，通常具备宽阔通道、商业设施或者与其他的公共设施等相连接在一起。这种地铁上盖物业发展模式主要是由亚洲大型城市土地资源和交通发展矛盾中产生，其上盖物业的开发能够产生较大的经济效益。

然而，由于上盖物业的基础直接位于地铁运营线路的振源上，与普通建筑物的振动不同，这类建筑物易传播，易放大，更敏感，振动值容易超出标准限值，这会极大地影响上盖物业居民日常生活的舒适性。所以需要科学地规划和设计地铁上盖物业的开发建设，并在实际工程应用中采用相应减振降噪措施，控制由地铁列车运行引起的噪声振动污染，保护建筑物内居民的正常工作生活。地震属于强振，会对建筑物结构会造成极大的破环；而列车运行诱发上盖建筑物的振动属于弱振，不会影响建筑物结构的安全性，但是会影响建筑物内居民的舒适性。根据某现场测试数据，当列车运行速度达到15~20km/h时，地铁车辆段正上方的居民住宅楼的振级可以达到85dB，如果列车以正常运行速度70km/h运行时，居民楼的振级可能还要大的多。

因此，准确分析列车诱发地铁车辆段上盖住宅的动力响应规律十分重要，对解决城市土地资源紧张的问题和提高地铁车辆段上盖物业适用性有着十分重要的理论意义，可为后续地铁车辆段上盖物业的合理设计提供一些参考。

1.2 国内外研究现状

1.2.2 地铁车辆段上盖物业的结构特点

车辆段一般可分为运用库、咽喉区、和试车线等区域。咽喉区道岔密布，轨道布置十分复杂，很难布置规则的柱网。运用库内轨道规则，容易布置规则的柱网，因此一般在运用库上盖进行物业开发；检修库内轨道规则，但由于跨度较大，需要加强结构转换设计。因此，上盖开发的主要形式包括公共建筑、住宅及配套设施、公园绿地等。物业开发可以是以上形式的一种或多种组合，当开发形式为公园绿地时，车辆段的振动及噪声对开发基本无影响，当物业开发体量较大时，住宅要求的配套设施较多，包括幼儿园、小学等，对车辆段减振、降噪有较高的要求。

上盖物业的结构形式一般是转换层大平台和核心筒落地。转换层结构形式有梁式转换层、桁架转换层、箱形转换层等。车辆段上盖开发较多采用梁式转换，例如杭州七堡车辆段、宁波天童庄车辆段。采用转换层盖上不适合建高层建筑，宜建多层或小高层建筑。采用转换层形式的上盖车辆段，列车诱发的振动噪声容易通过梁柱传递到上盖物业，因为盖上结构与盖下结构是连接成一体的。对于核心筒落地形式，其落地的结构体与车辆段盖体结构脱离，列车诱发的振动难以通过结构体系传递到上盖建筑物，因此上盖高层建筑的开发一般用核心筒落地的形式，如苏州太平车辆段，出入段线处上盖物业开发采用核心筒落地方式，但在运用库区域不宜用核心筒落地形式，否则会极大增加车辆段用地。目前国内地铁车辆段上盖开发一般多采用转换层结构形式，但结构减振降噪问题比较突出。

1.2.1 列车引起上盖建筑物振动特性与反应规律的研究

目前，国内外学者对轨道交通引起的环境振动这方面的问题进行了一系列研究。国外在这方面的研究比较早，Anderson^[1]对地铁列车诱发的两幢建筑物的振动进行了实测，并且得出建筑物的振动在5～50Hz频率范围内较大。Fujikake^[2]研究了地面交通车辆引起建筑物振动的原理、振动波在地面的传播规律以及对周围建筑物的影响。Metrikine^[3]将地铁隧道模拟成欧拉伯努利梁，将土层模拟成弹性层状介质，并且分析了振动波对建筑物的影响以及传播规律。

在国内，许多学者也在这方面做了大量的研究：

1999年，王毅^[4]等在分析地铁车辆段产生的振动与噪声对平台上居民区的环境影响的基础上，探讨了振动与噪声控制的措施。

1999年，王逢朝^[5]建立了两个二维动力相互作用分析模型，在此基础上研究了列车诱发的振动在土层中的传播规律以及对邻近建筑物的影响，分析了地面上不同位置、不同层数的建筑物的振动响应，还分析了在不同深度的隧道内地铁列车运行时产生的振动对周边建筑物的影响。

2013年，赵娜^[6]对国内振动舒适度评价方面的标准进行了介绍，然后对已建成的北京地铁八王坟车辆段和上盖物业进行现场实测，建立宁波地铁天童庄车辆段上盖物业的有限元模型，将实测数据作为激励输入，并对上盖建筑物的动力响应和振动特性进行分析，并且提出了车辆段上盖结构的减振措施，最后评价了减振效果。

2014年，王益敏等^[7]对广州地铁3号线厦滘车辆段试车线进行现场实测，分析了地铁车辆段试车线列车引起的地面振动以及邻近建筑物的振动传播规律，并且评价了地铁车辆段列车运行对周边环境的振动影响。

2015年，凌育洪等^[8]测量了广州某教学楼建筑场地的环境振动，发现场地铅垂向振级大于水平振级，通过一致激励输入法将最不利振动加速度时程作为激励输入，对上部结构的振动响应进行分析，得出了结构的z向振级随层高增大而增大。

2016年，谢伟平等^[9]以武汉某车辆段和宁波某车辆段工程为背景，采用现场实测和数值模拟相结合的方法分析了列车诱发地铁车辆段上盖物业的振动响应，发现铅垂向振级随楼层增大先减小后增大，而水平向振级总体上随楼层增大而增大；

2016年，何卫等^[10]对宁波市某车辆段进行了振动测试，在实测结果的基础上分析了影响地铁列车荷载特性的主要因素。

尽管国内学者对这个方面的研究较多，但主要集中在振动分析、环境影响评价、振动控制和荷载特性等方面。现如今对地铁上盖物业这方面的研究还很少，因为地铁车辆段上盖物业的发展历史较短，实际工程还比较少。当地铁列车进出车辆段时，运行线路是在地面上，而不是在隧道内，并且车辆段上盖物业在其正上方，地铁振动直接通过道床、立柱、和平台传至上方居民楼，并没有经过土层的衰减，因此上盖建筑物的振动状况会更加恶劣。本文以武汉市某地铁车辆段上盖住宅为研究对象，采用现场实测和数值模拟相结合的方法分析其动力特性，并计算其动力响应。

1.3 存在的问题

以上研究主要集中在振动分析、振动控制、荷载特性和环境影响评价等方面，很少涉及到上盖物业的动力分析。地铁列车进出车辆段与地铁列车在隧道内运行是有差别的，列车引起的振动是直接由道床、立柱和平台传至上方建筑物，并没有经过土层的衰减，因此诱发建筑物的动力响应有所差异，而这方面的研究还很少，有待继续研究。

1.4 本文所做的工作及创新点

本文拟在了解地铁车辆段上盖物业特点的基础上，运用结构动力学的基本理论知识展开了地铁车辆段上盖住宅车致振动响应分析的研究工作，主要包括：

1. 根据相关标准规定的测试方法对武汉地铁某车辆段运用库振源荷载进行了现场实测，并分析了车辆段内振源荷载特性；
2. 结合实际上盖物业工程，运用ANSYS软件建立弱振（车致振动）条件下精细化的上盖住宅有限元模型，并将实测数据和理论计算结果进行对比，验证有限元模型的正确性；
3. 从振动加速度时程和频谱、振动加速度级和1/3倍频程中心频率振动加速度级三个方面对列车诱发地铁车辆段上盖建筑物的动力响应进行分析；

本文的创新点在于研究了地铁车辆段上盖住宅在列车荷载作用下水平向的动力响应，并分析振源强度、楼层等参数对地铁车辆段上盖住宅动力响应的影响规律，得出了一些的结论。

第2章 武汉市某地铁车辆段列车振源荷载及有限元模型的建立

现如今，城市轨道交通发展十分迅速，城市土地资源变得越来越紧张。地铁车辆段是列车停放、检修和运营的场所，占地面积大，并且上部空间大面积空闲，因此为了增加土地的利用率，增加投资回报率，自北京率先进行八王坟地铁车辆段上盖物业的开发后，国内的一些其他城市也相继开展了地铁车辆段上盖物业的开发，比如广州、上海、武汉、杭州等这些城市。虽然地铁上盖物业有很好的发展前景，但是列车诱发的振动和二次噪声问题却尤为突出，限制了其发展。地铁进出车辆段诱发的振动直接传至上方建筑物，因此在建筑物内产生的振级较大，振动状况会更加恶劣。正是基于此，对武汉地铁市某车辆段进行了列车振动现场测试，并且运用有限元分析软件ANSYS建立地铁车辆段上盖住宅的精细化有限元模型。振源荷载实测结果可作为后文动力响应分析数值模拟的输入激励，有限元模型可作为动力响应分析的计算模型。

2.1 工程简介

武汉市某地铁车辆段内设有停车列检库、调机车库、联合车库、综合楼、牵引变电所、材料总库等。如图2.1所示，上盖物业区域内共划分了3个区域，布置在车辆段停车列检库、月检库区域等柱网比较规整的平台上部空间：Ｂ区域的上盖物业是直接落地的；Ｃ区域的上盖物业位于出入段线路处；Ｄ区是车辆段的停车列检库区域。上盖物业区域总平台面积为166648m²。总体布局：Ｂ区为空地，该区域设置6m高的平台。平台下部设有二层停车库和设备用房；平台上部设有6栋30层住宅楼。Ｃ区平台高8m，平台上设有5栋30层住宅楼和1栋30层公寓楼。因为要满足车辆段咽喉部敞开的要求，在Ｃ区设有幼儿园、小区会所、商铺、服务配套的公用设施。Ｄ区的运用库柱网比较规整，设置了11m高的平台，平台上部设有6栋16层住宅楼、12栋11层住宅楼。在平台的夹层设置停车库。

图2.1市某车辆段大平台平面布置图

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