地铁、地面交通振动荷载作用下北京正阳门古建筑的动力响应
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摘要
摘要：古建筑经过几百年的朝代更迭和岁月风雨的消磨,已变得破旧脆弱,而随着城市交通建设的飞速发展,交通引起的环境振动对古建筑危害无疑是雪上加霜。因此,交通振动引起的古建筑的动力响应研究是当下极其重要、迫切的古建筑保护课题,无论是理论研究成果还是现场实测分析经验都将对古建筑保护和修缮起到指导与规范作用。
以国家重点文物保护单位正阳门城楼及箭楼为振动研究对象,通过理论研究计算得到了在正阳门地区地面交通车辆振动和地下地铁列车振动影响下城楼及箭楼的动力响应特性。
首先,对正阳门地区交通振源进行实地调察分析。通过现场交通调查,对地面交通车流进行统计,总结该地区地面各条交通线路中不同类型车辆的车流密度、相邻车辆之间的时间间隔等车流特性,从而分析得到地面不同类型车辆振源的分布特性。
其次,基于交通调查得到的交通振源分布规律,对正阳门地区地面交通振动和地铁列车振动特性进行合理描述并推导其表达式。通过建立单一车辆动力模型,分别研究不同类型车辆的振动特性；结合现场交通调查得到的交通流量特性,总结每条交通线路上车辆的振动表达式；考察在红绿灯控制下的各条线路之间车辆的通行组合,从而得到地面交通振源的实际振动表达式；并对地面车辆振动的传播、衰减规律进行分析；基于正阳门地区交通调查的地面交通振源特性研究为古建筑的动力响应分析提供振源依据,是本文的创新性工作内容之一。考虑正阳门地区地层特性和地铁2号线位置特性,结合现有的地铁列车振动研究成果,分析地铁列车振源的传播、衰减特性。
第三,对正阳门地区地上、地下的交通振动场进行合理的叠加,为地上、地下交通振动对古建的共同影响提供振源依据。由于地面交通车辆振动与地铁列车振动的传播特性不同,以及与正阳门古建筑的空间位置的不同,两个振动场的叠加考虑了振动的传播方式、传播方向、衰减规律及引起古建筑的振动方向四个因素,得到了交通振动影响下地面任意一点的振动表达式,这也是本文的创新性工作内容之一。
第四,基于上述正阳门地区地上、地下交通振源的研究成果,通过建立古建筑动力分析模型,合理修正模型的计算刚度系数,理论计算得到城楼及箭楼在不同类型交通振源影响下动力特性：(1)正阳门古建筑在交通振动影响下,建筑的振动位移、振动速度随建筑高度增高而变大；(2)地面交通振动引起的古建筑的水平方向振动明显,城楼顶层水平方向振动位移最大值为0.32mm,振动速度最大值为4.5mm/s,箭楼顶层水平方向振动位移最大值为0.28mmm,振动速度最大值为3.8mm/s；(3)交通振动影响下当古建筑的振动频率在1.7-2.3Hz之间时振动位移、速度幅值最大；(4)地面不同类型车辆振动对古建筑的影响不仅与车辆自身的振动特性相关,主要还取决于该线路中不同类型车辆的车流密度,车流密度越大对古建筑的振动影响越大。
本文通过理论计算得到的正阳门古建筑振动特性规律与现场振动实测规律一致,说明了本文基于现场交通调查的交通振源特性研究方法和不同类型交通振源影响下古建筑的动力响应分析方法合理、可行,为古建筑在交通振动影响下的动力预测分析提供了很好的研究思路。
ABSTRACT:With the development oftransportation construction, the ancient architectures, which are old and fragile though the rise and fall of dynasties, will be worse under the effect of environmental vibration, especially the traffic vibration. Therefore, government, scientists and researchers all around the world have paid more attention on the dynamic research of ancient architectures caused by environmental vibration, because of the importance of ancient architecture protection. The theoretical research achievements and in-situvibration test of ancient architectures are used for future protection, repairing and regular development of ancient architectures.
Zhengyangmen gate tower and arrow tower in Beijing are chosen to be theresearch object, and the dynamic response of Zhengyangmenancient architectures caused by traffic vibration including vehicles vibration and subway vibration is studied.
First, the traffic investigation of Zhengyangmen area is important, and based on the investigation, the traffic characteristicsof different types of vehicles on different routes can be calculated. The traffic characteristics include vehicle densitandinterval of adjacent car, and then the different type of vehicle vibration source on the road can be sumrized.
Second,based on traffic investigationthe vibration characteristics of different vehicles can be sumrized and theoscillation equation of vehicles can be calculated though the vehicle dynamic model. According to the traffic characteristics, expression of each route also can be concluded. Because of the traffic light, the vehicles on the road move regularly. The traffic vibration propagates along the surface ground and reaches the bottom of the Zhengyangmen ancient architectures. The subway vibration characteristic is on the current research results, the location of metro line2, and the soil characteristic of Zhengyangmen area. The vibration field of surface traffic and subway can be used for the research of the vibration response of gate tower and arrow tower.
Third, the vibration field of vehicles and subway is set based on the differenc of the two kindsvibration and the position of vehicels and subway.The vibration field is used for the dynamic research of gate tower and arrow tower.
Fourth, the model of ancient architectures (gate tower and arrow tower)-surface traffic-subway tunnel is set for the dynamic analysis of gate tower and arrow tower induced by different types of traffic source.
Thought data-analyzing, the vibration rules of gate tower and arrow tower can be summarized:(1) under the effect of traffic vibration, the vibration displacement and velocity of gate tower and arrow tower increacewith height;(2)the vibration displacement maximum value of gate tower is0.32mm, the vibration velocity maximum value of gate tower is4.5mm/s, the vibration displacement maximum value of arrow tower is0.28mm, the vibration velocity maximum value of arrow tower is3.8mm/s;(3)under the vehicle and subway vibration, when the vibration frequency of ancient architecturesis among the range1.7-2.3Hz, the value of the vibration velocity reaches the maximum;(4)the different types of vehicles vibration have different effect on the gate tower and arrow tower because of the different vibration characteristics of the vehicles, and also the different density of vehicles, the larger the density is the greater the effect is.
The vibration characteristics of ancient architectures sumrized by theoretical calculated data are same as the in-situvibration test data, so the research method of traffic vibration in this paper is reasonably practicable, and can provide reference for dynamic research of similar structure ancient architectures.
以国家重点文物保护单位正阳门城楼及箭楼为振动研究对象,通过理论研究计算得到了在正阳门地区地面交通车辆振动和地下地铁列车振动影响下城楼及箭楼的动力响应特性。
首先,对正阳门地区交通振源进行实地调察分析。通过现场交通调查,对地面交通车流进行统计,总结该地区地面各条交通线路中不同类型车辆的车流密度、相邻车辆之间的时间间隔等车流特性,从而分析得到地面不同类型车辆振源的分布特性。
其次,基于交通调查得到的交通振源分布规律,对正阳门地区地面交通振动和地铁列车振动特性进行合理描述并推导其表达式。通过建立单一车辆动力模型,分别研究不同类型车辆的振动特性；结合现场交通调查得到的交通流量特性,总结每条交通线路上车辆的振动表达式；考察在红绿灯控制下的各条线路之间车辆的通行组合,从而得到地面交通振源的实际振动表达式；并对地面车辆振动的传播、衰减规律进行分析；基于正阳门地区交通调查的地面交通振源特性研究为古建筑的动力响应分析提供振源依据,是本文的创新性工作内容之一。考虑正阳门地区地层特性和地铁2号线位置特性,结合现有的地铁列车振动研究成果,分析地铁列车振源的传播、衰减特性。
第三,对正阳门地区地上、地下的交通振动场进行合理的叠加,为地上、地下交通振动对古建的共同影响提供振源依据。由于地面交通车辆振动与地铁列车振动的传播特性不同,以及与正阳门古建筑的空间位置的不同,两个振动场的叠加考虑了振动的传播方式、传播方向、衰减规律及引起古建筑的振动方向四个因素,得到了交通振动影响下地面任意一点的振动表达式,这也是本文的创新性工作内容之一。
第四,基于上述正阳门地区地上、地下交通振源的研究成果,通过建立古建筑动力分析模型,合理修正模型的计算刚度系数,理论计算得到城楼及箭楼在不同类型交通振源影响下动力特性：(1)正阳门古建筑在交通振动影响下,建筑的振动位移、振动速度随建筑高度增高而变大；(2)地面交通振动引起的古建筑的水平方向振动明显,城楼顶层水平方向振动位移最大值为0.32mm,振动速度最大值为4.5mm/s,箭楼顶层水平方向振动位移最大值为0.28mmm,振动速度最大值为3.8mm/s；(3)交通振动影响下当古建筑的振动频率在1.7-2.3Hz之间时振动位移、速度幅值最大；(4)地面不同类型车辆振动对古建筑的影响不仅与车辆自身的振动特性相关,主要还取决于该线路中不同类型车辆的车流密度,车流密度越大对古建筑的振动影响越大。
本文通过理论计算得到的正阳门古建筑振动特性规律与现场振动实测规律一致,说明了本文基于现场交通调查的交通振源特性研究方法和不同类型交通振源影响下古建筑的动力响应分析方法合理、可行,为古建筑在交通振动影响下的动力预测分析提供了很好的研究思路。
ABSTRACT:With the development oftransportation construction, the ancient architectures, which are old and fragile though the rise and fall of dynasties, will be worse under the effect of environmental vibration, especially the traffic vibration. Therefore, government, scientists and researchers all around the world have paid more attention on the dynamic research of ancient architectures caused by environmental vibration, because of the importance of ancient architecture protection. The theoretical research achievements and in-situvibration test of ancient architectures are used for future protection, repairing and regular development of ancient architectures.
Zhengyangmen gate tower and arrow tower in Beijing are chosen to be theresearch object, and the dynamic response of Zhengyangmenancient architectures caused by traffic vibration including vehicles vibration and subway vibration is studied.
First, the traffic investigation of Zhengyangmen area is important, and based on the investigation, the traffic characteristicsof different types of vehicles on different routes can be calculated. The traffic characteristics include vehicle densitandinterval of adjacent car, and then the different type of vehicle vibration source on the road can be sumrized.
Second,based on traffic investigationthe vibration characteristics of different vehicles can be sumrized and theoscillation equation of vehicles can be calculated though the vehicle dynamic model. According to the traffic characteristics, expression of each route also can be concluded. Because of the traffic light, the vehicles on the road move regularly. The traffic vibration propagates along the surface ground and reaches the bottom of the Zhengyangmen ancient architectures. The subway vibration characteristic is on the current research results, the location of metro line2, and the soil characteristic of Zhengyangmen area. The vibration field of surface traffic and subway can be used for the research of the vibration response of gate tower and arrow tower.
Third, the vibration field of vehicles and subway is set based on the differenc of the two kindsvibration and the position of vehicels and subway.The vibration field is used for the dynamic research of gate tower and arrow tower.
Fourth, the model of ancient architectures (gate tower and arrow tower)-surface traffic-subway tunnel is set for the dynamic analysis of gate tower and arrow tower induced by different types of traffic source.
Thought data-analyzing, the vibration rules of gate tower and arrow tower can be summarized:(1) under the effect of traffic vibration, the vibration displacement and velocity of gate tower and arrow tower increacewith height;(2)the vibration displacement maximum value of gate tower is0.32mm, the vibration velocity maximum value of gate tower is4.5mm/s, the vibration displacement maximum value of arrow tower is0.28mm, the vibration velocity maximum value of arrow tower is3.8mm/s;(3)under the vehicle and subway vibration, when the vibration frequency of ancient architecturesis among the range1.7-2.3Hz, the value of the vibration velocity reaches the maximum;(4)the different types of vehicles vibration have different effect on the gate tower and arrow tower because of the different vibration characteristics of the vehicles, and also the different density of vehicles, the larger the density is the greater the effect is.
The vibration characteristics of ancient architectures sumrized by theoretical calculated data are same as the in-situvibration test data, so the research method of traffic vibration in this paper is reasonably practicable, and can provide reference for dynamic research of similar structure ancient architectures.
引文
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