Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современные методы оценки и способы снижения уровней вибрации 7
1.1. Основные методы оценки уровней вибраций сооружений вблизи метрополитенов и железнодорожных трасс 7
1.2. Анализ существующей нормативной базы 14
1.3. Основные способы снижения уровней вибраций сооружений вблизи метрополитенов и железнодорожных трасс 20
ГЛАВА 2. Аналитические методы оценки уровней вибраций грунтового массива, возникающих при колебаниях тоннельной обделки круглого сечения 27
2.1. Общие положения 27
2.2. Колебания неограниченного грунтового массива при воздействии сосредоточенных сил, приложенных к лотковой части тоннельной обделки. 29
2.3. Колебания поверхности грунтового массива при воздействии сосредоточенных сил, приложенных к лотковой части тоннельной обделки . 38
2.4. Анализ колебаний поверхности грунтового массива при заданных уровнях колебаний лотковой части тоннельной обделки Казанского метрополитена 42
ГЛАВА 3. Оценка уровней вибраций вблизи железнодорожных трасс 47
3.1. Общие положения 47
3.2. Аналитическая оценка колебаний, распространяющихся в виде поверхностных волн Рэлея 48
3.3. Учёт свойств поверхностных волн Рэлея при оценке виброзащиты зданий, расположенных вблизи железнодорожных трасс 58
ГЛАВА 4. Численный метод оценки уровней вибраций вблизи метрополитенов 61
4.1. Общие положения 61
4.2. Механико-математическая модель 62
4.3. Анализ результатов расчёта 67
ГЛАВА 5. Способы снижения вибраций 71
5.1. Основные принципы 71
5.2. Активная виброизоляция 73
5.3. Пассивная виброизоляция 91
ГЛАВА 6. Приложение концепции спектров ответа для решения проблем защиты от вибраций 108
6.1. Общие положения 108
6.2. Построение спектров ответа пошаговым методом 111
6.3. Применение концепции спектров ответа для оценки уровней вибраций в процессе строительства 113
Заключение 121
Список литературы 122
- Основные способы снижения уровней вибраций сооружений вблизи метрополитенов и железнодорожных трасс
- Колебания поверхности грунтового массива при воздействии сосредоточенных сил, приложенных к лотковой части тоннельной обделки
- Аналитическая оценка колебаний, распространяющихся в виде поверхностных волн Рэлея
- Применение концепции спектров ответа для оценки уровней вибраций в процессе строительства
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время во многих городах ведется интенсивное строительство зданий и сооружений вблизи линий метрополитенов, железнодорожных трасс и автодорог. Колебания, возникающие при движении транспорта, передаются через грунт на фундаменты зданий, вызывая в некоторых случаях недопустимо высокие вибрации элементов конструкций и технологического оборудования.
Таким образом, с развитием инфраструктуры городов, возникновением в городской среде нового физического фактора - вибраций техногенного характера с частотой 25-70 Гц и появлением различных эффектов в зданиях, расположенных вблизи такого источника вибраций, проблема защиты от вибраций представляет собой актуальную задачу.
Развитие научно-технического прогресса делает необходимым изучение динамических явлений в сооружениях, расположенных вблизи железнодорожных трасс и метрополитенов. В связи с этим, необходимо совершенствовать методы оценки уровней вибраций сооружений.
Цель диссертационной работы состоит в разработке научно обоснованного подхода к оценке и способам снижения уровней вибраций сооружений вблизи метрополитенов и железнодорожных трасс.
В предлагаемой работе представлены результаты экспериментально-теоретических исследований, а так же примеры практического использования полученных результатов.
Научная новизна характеризуется следующими результатами:
1) разработаны методики оценки уровня вибраций зданий и сооружений, расположенных вблизи тоннелей мелкого заложения и открытых железнодорожных трасс, возникающих при движении подвижного состава;
2) предложена методика, основанная на концепции спектров ответов, для выбора способов и средств защиты от техногенных вибраций,
3) разработаны виброзащитные конструкции верхнего строения пути для метрополитена, а также вариант виброизоляции здания, расположенного вблизи железнодорожного пути.
Достоверность и обоснованность научных гипотез и полученных результатов определяются корректностью постановки задач, обоснованностью всех этапов расчета и использованием апробированных методов теории колебаний, динамики сооружений и математического моделирования, а также подтверждается сопоставлением с известными результатами других авторов и имеющимися данными экспериментальных исследований.
Практическое значение. Разработанные методы исследования являются общими и могут быть использованы при исследовании динамики различных сооружений.
Результаты решения практических задач применялись:
1) при прогнозировании уровней вибраций на стадии строительства первой очереди Казанского метрополитена;
2) в ходе разработки виброзащитной конструкции верхнего строения пути в железнодорожном тоннели под площадью имени Гагарина;
3) при оценке уровней вибраций от воздействия подвижного состава при строительстве Донбасского путепровода в г. Москве;
4) при оценке уровней вибраций и разработке виброзащиты офисно-торгового центра по адресу ул. Русаковская, 13 в г. Москве.
Результаты, приведенные в диссертации, получены соискателем лично при направляющей роли научного руководителя. При этом соискатель благодарит сотрудников кафедры «Тоннели и метрополитены» МРШТа за оказание помощи в проведении экспериментов.
Апробация работы. Исследования выполнялись в рамках Программы фундаментальных и поисковых научно-исследовательских работ МИИТа, начиная с 2002 г. Отдельные разделы исследования представлялись в Сборниках научных трудов МИИТа. Некоторые разделы исследований были представлены:
• на международной научно-технической конференции "Современные проблемы путевого комплекса. Повышение качества подготовки специалистов и уровня научных исследований" 19-20 октября 2004 г.;
• на заседании кафедры «Тоннели и метрополитены» МИИТа 21 марта 2006 г. в виде доклада автора и последующего обсуждения.
Основные положения диссертации опубликованы в 5 печатных работах.
Основные способы снижения уровней вибраций сооружений вблизи метрополитенов и железнодорожных трасс
В последнее десятилетие в различных странах Европы большое внимание уделяется проблеме исследования вредного воздействия метрополитенов и железных дорог, проходящих вблизи жилых застроек, в части шума и вибраций, вызываемых движением поездов. Перегонные тоннели очень часто проходят вдоль магистральных улиц при глубине заложения до 30 метров. Опыт эксплуатации зданий вблизи железнодорожных трасс и метрополитена показывает, что в зданиях, расположенных на расстояниях от железнодорожного полотна или тоннельной обделки ближе 40 метров, уровни вибраций, возникающие при движении поездов, превышают допустимые Санитарными нормами.
В связи с этим требуется разработка специальных виброзащитных конструкций верхнего строения пути или самих сооружений. Таким образом, основные способы снижения уровней вибраций сооружений вблизи метрополитенов и железнодорожных трасс можно условно разделить на два направления: активная виброизоляция - изоляция непосредственно источника вибраций; пассивная виброизоляция - изоляция защищаемых объектов. Среди авторов работ по созданию современных виброзащитных конструкций и методик их расчета и оценки можно выделить следующих отечественных специалистов: В.Ф. Барабошин [3], М.А. Дашевский [7-12], И.Я. Дорман [14-17], В.А. Ильичев [21], СИ. Клинов [23, 26, 33], Н.А. Костарев, Н.Д. Кравченко [24], С.А. Курнавин [34, 36, 38], Ю.П. Назаров [53] и других авторов [25,27, 29, 31, 34,37, 39,49, 63,69, 87, 88]. Из сотрудников МИИТа, занимавшихся и занимающихся проблемами динамического взаимодействия подвижных нагрузок и пути, следует отметить сотрудников кафедры «Теоретическая механика» Г.П. Бурчака, И.И. Иванченко, В.Б. Мещерякова, Г.Б. Муравского. Из последних зарубежных публикаций, близких по теме и методам исследований, следует отметить работы [73, 74, 79-83, 97, 99-104] сотрудников Института исследований Звука и Вибраций Саутгемптонского университета (Англия) Andersen L., Crandall S.H., Gardien W., Jones C.J.C., , Petyt M., Sheng X., Stuit H.G., Thompson D.J, а также работы [90, 91, 95, 105,106, 108]. Комплексные теоретические и экспериментальные исследования проводились и проводятся многими научными организациями: ВНИИЖТ, МИИТ, ЦНИИС, ЦНИИСК, НИИОСП. Достаточно обширный обзор зарубежного и отечественного опыта защиты от шума и вибраций в метрополитенах, а также конструкции верхнего строения пути с улучшенными упругими и демпфирующими свойствами, позволяющие уменьшить динамическое воздействие подвижного состава на тоннельную обделку представлен в статье Рысакова Г.А. [57], в которой использованы следующие материалы [3, 14, 20, 24, 52 и др.]. Исследованию этой проблемы посвящены работы, организуемые Бюро экспериментов и исследований (БЭИ) Международного союза железных дорог (МСЖД). Так под эгидой БЭИ МСЖД во Франции Автономным управлением транспорта Парижа (RATP) и обществом VIBRATEC проводились фундаментальные исследования механического взаимодействия пути и подвижного состава с разработкой методики распространения колебаний. Наличие на колесах выщерблин, ползунов и наплывов, а на рельсах -стыков и волнообразного износа могут приводить к существенному повышению уровня вибраций. Установлено, что только волнообразный износ может приводить к увеличению уровня вибраций на 10-15 дБ. Спектр колебаний при этом достаточно широк, но наибольший интерес, учитывая значительное ослабление высокочастотных колебаний в грунтах, представляют волны в диапазоне частот до 180 Гц. Также установлено, что использование бесстыкового пути уменьшает амплитуду колебаний на стыках в 2-4 раза. Комитетом D 151 БЭИ МСЖД проведены исследования по распространению вибраций, возникающих при движении поездов, и дана оценка эффективности снижения их уровня при различных противовибрационных мероприятиях. Согласно этим исследованиям противовибрационные мероприятия, применяемые для защиты от вибраций, создаваемых движением поездов, преимущественно ограничиваются усовершенствованием конструкции пути в тоннелях и дополнительной защитой в грунте вдоль путей и под ними - на открытых участках трассы. Общим принципом всех систем защиты, используемых в тоннелях мелкого заложения, является применение упругих прокладок для опирання конструкции пути на обратный свод тоннеля. Наиболее широко используются упругие маты, укладываемые между подошвой путевого бетона и обратным сводом тоннеля, которые разделяются на три типа упругих матов, укладываемых между подошвой путевого бетона и обратным сводом тоннеля: профилированные, обычно состоящие из резины с рифленой поверхностью; гранулированные, изготовленные, например, из старых автомобильных покрышек, склеенные высококачественным эластомером; вспененные, состоящие из пенополиуретана, упругость которого регулируется соотношением открытых и закрытых ячеек. Вторым решением является использование упругих подшпальных прокладок из резины с пробковым наполнителем. Экспериментальные исследования конструкций такого типа показали, что наибольшая эффективность виброзащиты достигается при частотах выше 30 Гц.
Безбалластные конструкции пути без применения специальных виброзащитных элементов обладают более высокой способностью передавать вибрации тоннельной обделке и массиву окружающего грунта, поэтому для их ослабления используется попеременная укладка слоев эластомера и жестких массивных конструкций пути.
Обзор виброизолирующих конструкций верхнего строения пути, используемых для метрополитенов в различных странах, позволяет сделать вывод о том, что наиболее эффективные решения связаны с акустическим разъединением конструкции пути и основания тоннельной обделки резино-полимерными (эластомерными) виброизоляторами.
Колебания поверхности грунтового массива при воздействии сосредоточенных сил, приложенных к лотковой части тоннельной обделки
Кроме того, по заказу «Института Мосинжпроект» в рамках хозяйственного Договора между ООО «Организатор» и МИИТом были выполнены следующие работы: анализ состояния элементов конструкции верхнего строения пути, измерение вибраций рельсошпальной решётки, наблюдение и анализ состояния тоннельной обделки (осадки, деформации, нарушение соединений), измерение вибраций элементов тоннельной обделки при движении поездов, измерение вибраций поверхности грунта вблизи тоннельной обделки при движении поездов, измерение вибраций, возникающих при движении поездов в тоннеле и передающихся в сооружения, находящиеся вблизи тоннеля. Для оценки эффективности виброзащитных свойств балластного пути на ковровых покрытиях по сравнению со стандартным путем на балласте сравнивалось ослабление уровней вибраций в обоих случаях, передающихся от верхнего строения пути на лотковую часть тоннельной обделки, возникающих при движении грузовых поездов. Для чего определялись уровни виброускорений верхнего строения пути и лотковой части тоннельной обделки. Для этого акселерометры устанавливались в вертикальном направлении: первый датчик в середине железобетонной шпалы; второй датчик на тоннельной обделке. частота дискретизации при проведении замеров - 900 Гц. для исключения «наводок» с промышленной частотой, равной 50 Гц для измерительной системы использовалось автономные источники электроэнергии. В результате обработки записей колебаний получены спектральные плотности колебаний и третьоктавные спектры, которые пересчитывались в октавные спектры. В результате получены уровни виброускорений в децибелах, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 4; 8; 16; 31,5 и 63 Гц. Результаты испытаний усреднены по 3-4 реализациям. Под одной реализацией понимается проход одного поезда. Результаты выполненных и обработанных замеров вибраций представлены в виде спектров в октавных полосах частот на рисунке 5.3. По результатам замеров уровней виброускорений получены данные, показывающие на сколько меньше уровни вибраций тоннельной обделки по сравнению с уровнем вибраций шпал для балластного пути на ковровом покрытии (тоннель под площадью Гагарина) и для стандартного пути на балласте (тоннель около платформы Лось). Другими словами, оценены виброзащитные свойства балластного слоя и балластного слоя на ковровых покрытиях. Результаты приведены на рисунке 5.4. Сравнение ослабления уровней вибраций (шпала-тоннель), для двух рассматриваемых типов верхнего строения пути, показывает существенно большую эффективность виброзащитных свойств балластного пути на ковровых покрытиях по сравнению со стандартным путем на балласте, что При сравнении уровней вибраций замеренных в июле 2002 г. и в мае 2003 г. наблюдается повышение уровней виброускорений лотковой части тоннельной обделки на низких частотах по сравнению с измерениями сделанными летом 2002 года. Повышение виброускорений обусловлено увеличением скорости движения составов в тоннеле (июль 2002г. - 20 км/ч, май 2003г. - 40 км/ч). Результаты испытаний показывают, что уровни вибрации стен тоннельной обделки при одновременном движения двух грузовых поездов во всех третьоктавных полосах частот, регламентируемых МГСН 2.04-97 [51], ниже соответствующих допустимых норм для жилой застройки. Также были получены уровни виброускорений на поверхности грунта над тоннелем (пл. Гагарина) и у зданий расположенных в непосредственной близости от тоннеля. Замеры вибраций проводились в период с 11 сентября по 20 октября 2002 года (в основном в ночное время). Проведены замеры колебаний в 92 точках на поверхности грунта при движении поездов в железнодорожном тоннеле, а также записи фона -движение автотранспорта в автодорожном тоннеле. У каждого здания съемка виброускорений производилась в 4 точках. Ниже представлены характерные уровни виброускорений надтоннельной поверхности и поверхности возле каждого из зданий. Частота дискретизации при записи колебаний составила 450 Гц. Получены спектры колебаний в третьоктавных и октавных полосах частот (рис.5.6-5.9). Октавные спектры колебаний для октавных полос 2,4,8, 16, 31.5 и 63 представлены в виде диаграмм характерных точек, в которых проводились замеры. Для удобства анализа на каждом рисунке разными цветами представлены одновременно три графика: уровни вибраций, возникающие при движении поезда, уровни фона (в основном вибрации, возникающие при движении автотранспорта), уровни, допускаемые Санитарными Нормами. Таким образом, проанализировав полученные результаты, можно сделать вывод, что при движении поездов в железнодорожном тоннеле, а так же при движении автотранспорта в автомобильном тоннеле уровни вибраций не превышают уровней во всех октавных полосах частот, регламентируемых Санитарными нормами для жилых зданий.
Аналитическая оценка колебаний, распространяющихся в виде поверхностных волн Рэлея
При проектировании административного здания переменной этажности высотой 4-17 этажей с двумя подземными уровнями автостоянки, по адресу: Русаковская ул. Владение 13, по требованию СЭС г. Москвы были проведены замеры уровней вибраций площадки строительства и прогнозирование уровней вибраций в элементах здания [67].
Результаты замеров вибраций грунта при проходе поездов и предварительные расчеты показали, что уровни вибраций в помещениях здания будут превышать допустимые. Сотрудникам кафедры «Тоннели и метрополитены» на условиях хозяйственного договора было предложено разработать систему виброзащиты высотной части здания. . Схема расположения здания по ул. Русаковская, 13 Проектируемое административное здание переменной этажности высотой 4-17 этажей с двумя подземными уровнями автостоянки располагается вблизи железнодорожной ветки, по которой осуществляется перегон пассажирских составов между Казанским, Ярославским и Октябрьским направлениями. Расстояние от ближайшего железнодорожного пути до фундаментной плиты проектируемого здания менее 15 м. Кроме того, со стороны Русаковской улицы на расстоянии 7 метров от здания находится стена обделки перегонного тоннеля мелкого заложения Сокольнической линии метрополитена на участке ст. «Сокольники» - ст. «Красносельская». Глубина заложения тоннеля, считая от верха свода, - 3 м. Тоннель метро находится со стороны малоэтажной части здания, выходящей фасадом на Русаковскую улицу. Высотная часть здания находится на расстоянии около 40 метров от тоннельной обделки, поэтому вибрации, создаваемые в элементах конструкции здания проходящими поездами метрополитена незначительными, поэтому при расчетах воздействие поездов метрополитена не учитывалось. По исследуемому физическому фактору на проектируемое здание распространяются критерии Федеральных Санитарных норм «Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий» - СН 224/2.1.8.566-96. Допустимые уровни вибраций с учетом поправок на характер колебаний приведены в таблице 5.2. 1. Измерительно-вычислительный комплекс MIC -026 в составе: Notebook; модули для виброизмерений МС - 201, крейт-контроллер LC-014; усилители заряда МР-07. 2. Электромеханические датчики - пьезоэлектрические акселерометры (фирмы VEB METRA ) - акселерометр КВ-12. Основные характеристики акселерометров: масса - 0.205 кг, чувствительность - 300 мВ/мс"2, частотный диапазон - (1 -250) Гц, резонансная частота - 0.5 кГц. 3. Электродинамический калибратор акселерометров. Тип - Robotron 11032 №01047 (VEB RFT MESSELEKTRONIK). Калибратор имеет встроенный вибростол малых размеров и генератор, который может задавать синусоидальный сигнал определенной частоты и амплитуды, зависящие только от массы датчика, прикрепленного к мембране калибратора. Для измерения механических вибраций и обработки данных используются специальные программы: "Win Pos ", "ПОС" и «Магнитограф». Получены записи колебаний поверхности грунта при прохождении 14-ти пассажирских и одного грузового поезда. В результате обработки временных сигналов получены третьоктавные спектры колебаний.
Применение концепции спектров ответа для оценки уровней вибраций в процессе строительства
В последние годы в практике динамических расчётов строительных конструкций и, в особенности, при расчётах на сейсмические воздействия, широкое распространение получила концепция «Спектров ответа».
Спектр ответа представляет собой график зависимости максимальных значений реакций (максимальных перемещений, максимальных скоростей, ускорений или других, представляющих интерес, параметров) на заданное воздействие всевозможных систем с одной степенью свободы. Абсцисса спектра ответов - собственная частота системы, ордината - максимальное значение реакции.
Можно получить спектры ответов на любое воздействие: силовое или кинематическое. Наибольшее применение нашли спектры ответов на кинематическое возмущение основания, которое может быть результатом сейсмических движений грунта или колебаний техногенного характера. В данном случае определяются спектры ответов по ускорениям колебаний грунта, возникающих при движении поездов. Спектры ответов позволяют на стадии проектирования определить частоты, на которых возможно возникновение резонансов элементов конструкций, а также оценить параметры колебания этих элементов.
Для определения реакции сооружения на динамическое воздействие с использованием спектров ответа выполняются следующие операции: записать акселерограммы колебаний грунта в различных точках площадки строительства, создаваемых источниками техногенных вибраций, по акселерограммам рассчитать спектры ответов в представляющей интерес полосе частот, т.е. для тех частот, на которых возможны резонансные явления, определить собственные частоты и собственные формы колебаний сооружения, по спектрам ответов вычислить модальные - соответствующие каждой форме колебаний инерционные нагрузки, зависящие от собственных частот и модальных масс, к элементам конструкции приложить инерционные нагрузки и вычисляются модальные отклики на эти воздействия (перемещения, внутренние усилия и др.), вычислить суммарный отклик (реакция) системы на динамическое воздействие. Для некоторых особых случаев, таких как воздействие ядерного взрыва или землетрясение большой мощности иногда необходимо рассчитывать конструкции на выносливость напряжений больших предела упругости. Для примера, сейсмический расчет для землетрясения средней мощности приемлемо допускать работу в упругой стадии для хорошо рассчитанных и построенных сооружений. Однако для очень больших возмущений это не представляется возможным даже для хорошо рассчитанных сооружений. Хотя конструкции могут быть рассчитаны на устойчивость сильным землетрясениям, это не допустимо экономической точки зрения. В 1973 Ньюмарком и Холом для конструкций с уровнями напряжений, превышающими линейную зону, были разработаны методы построения спектров ответа включающие нелинейную зону. Подготовка спектров ответа для таких неупругих систем сложнее, чем для упругих систем. Эти спектры обычно строятся, как серия кривых, соответствующих различным значениям коэффициента пластичности ц. Коэффициент пластичности ц определяется, как отношение максимальной деформации системы в неупругой стадии к деформации соответствующий остаточной деформации. Выбор коэффициентов пластичности для сейсмических расчетов должен также основываться на целях расчета и критериях нагрузки и в зависимости от уровня риска принимаемом для конструкции. В данной работе подобные спектры ответа не рассматриваются в виду того, что изучаемые уровни техногенных вибраций относительно малы, и поэтому системы работают в упругой стадии. Для построения спектров ответов вычисляются максимальные значения перемещений, скоростей или ускорений от заданного воздействия для всевозможных осцилляторов с различными собственными частотами и с различными коэффициентами демпфирования. Для построения спектров ответа выбираются осцилляторы с представляющими интерес собственными частотами, т.е. с частотами, охватывающими диапазон частот сооружения. Спектр ответов по ускорениям определяется непосредственно путём интегрирования уравнений движения. Исходными данными являются ys(t) акселерограммы колебаний поверхности грунта. Ввиду того, что функция ys(t) задаётся в дискретной форме, для получения спектра ответа используется точное решение дифференциального уравнения относительного движения на каждом интервале времени в предположении линейного изменения функции возбуждения на каждом интервале времени:
