基于非一致激励的地铁周边建筑物振动舒适度计算方法与流程

1.本发明涉及建筑结构技术领域和轨道交通领域，具体而言，涉及一种基于非一致激励的地铁周边建筑物振动舒适度计算方法。


背景技术：

2.随着国内城市地铁建设，地铁在方便人们出行的同时，也引发了振动舒适度问题。人处于振动较大的环境中，会出现紧张、烦闷或恐慌心理，影响工作效率，长期可能引发精神疾病。随着人们生活水平提高，对建筑环境提出更高的舒适性要求，多地出现居民对该问题的投诉。近年发布的有关环境振动评价方法及标准也体现出相关部门对这一问题的重视。
3.在结构设计阶段，对地铁周边建筑物进行振动舒适度验算，是必然的发展趋势。对这类结构振动舒适度计算方法的需求日益增长。目前对于地铁周边建筑物进行振动舒适度的主流计算方法主要分三类。这三种方法各有优势，也存在不足。
4.第一类方法，是“车辆-土体-建筑物”整体计算模型。这类方法需建立包括列车、轨道、隧道、土体、建筑物等结构的整体模型，通常采用基于多刚体动力学的车辆子系统模型和基于有限元方法建立的结构子系统模型，将轨道不平顺作为激励，使用分离迭代法考虑车-结构耦合作用并求解。这种分析理论和计算方法已基本趋于完善，能够较为准确的计算结构中、低频的动力响应，可满足振动舒适度计算准确度的研究。然而，这种方法的缺点在于分离迭代计算流程、较小时间积分步长以及有限元模型巨量的自由度带来了海量的计算。若缩减自由度，简化计算模型，则不能完成准确的仿真分析。因此简化模型和高效算法是目前的研究趋势。
5.第二类方法，是“车辆-土体”2.5d有限元计算模型。这类方法通过沿轨道方向进行波数变换将三维问题降维为平面应变问题，再将计算结果沿轨道方向进行波数扩展求得三维空间中的时域解。这类方法的优点在于大幅度缩减了自由度，提高了计算效率、建模简单。但缺点是降低了计算精度，并且由于建筑物不符合沿轨道方向结构形式不变的假定，因此很难对真实复杂建筑物进行建模。
6.第三类方法，也是工程中另一种常用的计算方法，即仅建立建筑物有限元计算模型，并在基础或柱底加载地铁振动激励。这种方法建模方便，且避免了复杂的迭代运算，计算规模小、效率较高，并且支持基于舒适度评价的精细化建模。但是这种模型的计算精度极大受到输入荷载的影响。而目前对荷载的研究仍不完善，在进行分析时大多将模拟、实测得到的自由场土体表面振动作为一致激励输入。事实上，地铁荷载具有显著的非一致激励效应，这一简化影响了计算模型的精度。
7.综上所述，目前对地铁周边建筑物振动舒适度计算方法的研究仍不完善，关键问题在于难以平衡计算精度和计算效率的关系，给设计人员的使用带来了困难。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于，提供一种基于非一致激励的地铁周边建筑物振动舒适度计算方法，其具有建模简便、计算效率高的优点，且能够满足振动舒适度分析对计算精度的需要。
9.为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：基于非一致激励的地铁周边建筑物振动舒适度计算方法，包括以下步骤：
10.s1、建立地铁非一致振动荷载数据库：通过多组测试获得各类建筑物受到的地铁非一致激励数值，记录建筑基础、柱底的振动加速度响应，结合该数值仿真模拟建立包含各类工况的地铁非一致振动荷载数据库；
11.s2、建立地铁非一致振动荷载的功率谱模型：基于数值仿真模拟结果，对模型中的未知参数进行识别，建立地铁非一致振动荷载功率谱模型；
12.s3、合成地铁非一致振动荷载：针对不同的结构基础形式，采用谱表现方法合成荷载时程，对结构基础进行多点加载，以实现非一致输入；
13.s4、基于舒适度评价的建筑物振动响应进行计算：建立基于舒适度评价的建筑物精细化模型，加载地铁非一致振动荷载，计算楼板动力响应，并以此作为舒适度评价的指标。
14.所述s1具体为：通过多组测试获得各类建筑物受到的地铁非一致激励，分析得到非一致激励特性，建立“车辆-土体-建筑物”耦合动力学模型，使用实测数据验证模型准确性后，进行参数化分析建立包含各类工况的地铁非一致振动荷载数据库。
15.所述s2还包括：基于地铁非一致振动荷载数据库，建立参数形式的演变功率谱与时变互谱模型，参数至少包括：地铁参数、土体参数和结构参数。
16.地铁非一致振动荷载为考虑了平行线路方向的振动时滞效应以及垂直线路方向的振动衰减效应所建立的荷载。
17.地铁非一致激励的振动时滞效应指建筑物不同受振位置的荷载激励在时域上存在时间差；地铁非一致激励的振动衰减效应指建筑物不同受振位置的荷载激励在整体振动水平和频谱特性上存在差异。
18.所述s3具体为：选取建筑基础底面作为加载位置，基于地铁非一致振动荷载谱，对不同位置的加载点，采用谱表现方法合成荷载时程，采用大质量法对结构基础进行多点加载，以实现非一致输入。
19.所述s4具体为：基于舒适度评价，考虑结构层楼板、非结构构件、局部构造及边界条件、结构附加质量以及小振幅下阻尼比的取值，建立建筑物精细化模型；加载地铁非一致振动荷载，计算人员活动楼板的动力响应，并以此作为舒适度评价的指标。
20.还提供一种使用上述的基于非一致激励的地铁周边建筑物振动舒适度计算方法的系统，包括：
21.数据库模块：通过多组测试获得各类建筑物受到的地铁非一致激励数值，记录建筑基础、柱底的振动加速度响应，结合该数值仿真模拟建立包含各类工况的地铁非一致振动荷载数据库；
22.模型建立模块：基于数值仿真模拟结果，对模型中的未知参数进行识别，建立地铁非一致振动荷载功率谱模型；
23.荷载合成模块：针对不同的结构基础形式，采用谱表现方法合成荷载时程，对结构基础进行多点加载，以实现非一致输入；
24.响应计算模块：建立基于舒适度评价的建筑物精细化模型，加载地铁非一致振动荷载，计算楼板动力响应，并以此作为舒适度评价的指标。
25.还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任一项所述计算方法的步骤。
26.还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项所述计算方法的步骤。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
28.本发明基于大量实测和数值仿真数据建立荷载模型，考虑了各类因素的影响，具有更好的普适性；本发明采用建筑物独立模型，避免了土体模型以及考虑车辆-结构耦合的迭代算法，在大幅度缩减计算量的同时，可进一步支持对建筑物模型基于舒适度评价的精细化处理；本发明考虑了地铁荷载的非一致激励效应，能够更加合理、准确的计算建筑物的振动响应。
附图说明
29.图1为本发明实施例的流程示意图；
30.图2为本发明实施例中地铁荷载非一致激励效应的原理示意图；
31.图3(a)为本发明实施例中a点的非一致振动数据时程曲线图；图3(b)为本发明实施例中b点的非一致振动数据时程曲线图；图3(c)为本发明实施例中c点的非一致振动数据时程曲线图；
32.图4为本发明实施例中结构有限元模型示意图。
具体实施方式
33.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
34.本发明核心在于考虑非一致激励效应建立的地铁荷载模型。图2为地铁荷载非一致激励效应原理示意图，本发明中的地铁非一致激励荷载指考虑了下列原理所建立的荷载，包括平行线路方向(y向)的振动时滞效应，以及垂直线路方向(x向)的振动衰减效应。
35.其中，地铁非一致激励的振动时滞效应，是指建筑物不同受振位置的荷载激励在时域上存在时间差。其产生机理是，地铁列车运行导致的振源移动。滞后时间的数值等于受振位置的y向距离与列车车速的比值。
36.其中，地铁非一致激励的振动衰减效应，是指建筑物不同受振位置的荷载激励在整体振动水平和频谱特性上存在差异。其产生机理是，地铁振动在土体中传播时随距离衰减，且土-结构基础相互作用造成建筑物面向地铁线路侧出现反射放大区、背侧出现衰减区。衰减规律与地铁振动特性、土体特性、基础类型、地铁线路与建筑物的相对位置等因素
相关。
37.基于上述原理建立地铁周边建筑物振动舒适度计算方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
38.在步骤s1中：通过大量测试获得各类建筑物受到的地铁非一致激励，分析得到非一致激励特性(包括时滞、频率、幅值、相位等)。建立“车辆-土体-建筑物”耦合动力学模型，使用实测数据验证模型准确性后，进行参数化分析建立地铁非一致振动荷载数据库。该数据库涵盖各类可能的工况，包括：地铁参数(线路类型、列车类型、车速、减振类型、隧道类型、埋深等)；土体参数(软弱土、中软土、中硬土、坚硬土)；结构参数(建筑类型、基础类型、楼层数量、平面尺寸、与线路相对位置等)。
39.在步骤s2中：基于实测地铁非一致振动激励数据，分析得到参数形式的演变功率谱与时变互谱，参数包括：地铁参数、土体参数、结构参数等。基于数值仿真模拟结果，对模型中的未知参数进行识别，建立地铁非一致振动荷载功率谱模型。
40.在步骤s3中：选取建筑基础底面(桩基础为承台)作为加载位置，基于上述建立的地铁非一致振动荷载谱，对不同位置的加载点，采用谱表现方法合成荷载时程，可采用大质量法对结构基础进行多点加载，以实现非一致输入。
41.在步骤s4中：基于舒适度评价，考虑结构层楼板、非结构构件、局部构造及边界条件、结构附加质量以及小振幅下阻尼比的取值等因素，建立建筑物精细化模型。加载上述地铁非一致振动荷载，计算人员活动楼板的动力响应，并以此作为舒适度评价的指标。
42.建立数值算例，说明采用本技术方法相比传统的一致激励方法具有更好的准确度和优越性。采用有限元分析软件ansys建立某建筑物的上部结构模型，如图4所示。梁、柱采用beam188单元建模；楼板采用shell181单元建模；网格划分为0.5m。采用大质量法加载地铁振动荷载。对比非一致激励和采用图2中a、b、c位置振动一致激励情况下，各层楼板跨中的竖向振动响应。舒适度评价指标采用最大z振级，部分计算结果如表1所示。由此可见，传统的地铁振动一致激励荷载的计算误差高达8db,而本技术提出的基于非一致激励的振动舒适度计算方法具有更好的准确度。
43.表1
44.[0045][0046]
需要指出，根据实施的需要，可将本技术中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
[0047]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。