本發(fā)明涉及地鐵振動(dòng)環(huán)境安全評(píng)價(jià)。具體地說是基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的地鐵振動(dòng)環(huán)境安全評(píng)價(jià)方法。

背景技術(shù)：

1、地鐵列車運(yùn)行時(shí)，行駛的沖擊荷載很大，地基、軌道和隧道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)也會(huì)隨之而增大。由于地基、軌道和隧道中存在臨界速度和臨界荷載，當(dāng)列車行駛速度達(dá)到一定程度時(shí)，沖擊荷載產(chǎn)生的能量不能在隧道及軌道結(jié)構(gòu)和圍巖中及時(shí)遣散，該能量將使列車產(chǎn)生較大振動(dòng)位移，地基、軌道和隧道中將會(huì)出現(xiàn)過大的荷載，而急劇增大的振動(dòng)現(xiàn)象將導(dǎo)致道床、軌道和隧道的變形加大及強(qiáng)度下降，造成嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損傷，對(duì)高速列車行駛埋下了巨大的安全隱患。

2、當(dāng)前我國隧道病害治理整治方法相對(duì)落后，在鐵路和公路隧道領(lǐng)域曾有過一定的探索和經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)于結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)體系與襯砌裂縫加固整治方法研究仍較為缺乏，特別是地鐵振動(dòng)載荷下隧道襯砌結(jié)構(gòu)損傷及安全性評(píng)價(jià)方法和國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)極為缺乏，上述不足已經(jīng)成為工程與科研領(lǐng)域亟待推進(jìn)解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的地鐵振動(dòng)環(huán)境安全評(píng)價(jià)方法。該方法基于現(xiàn)場調(diào)查與監(jiān)測數(shù)據(jù)，引入頻率效應(yīng)影響系數(shù)，以動(dòng)態(tài)應(yīng)力為基礎(chǔ)，構(gòu)建了包括振動(dòng)頻率和振動(dòng)速度的雙指標(biāo)評(píng)價(jià)模式，建立了基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的地鐵振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的地鐵振動(dòng)環(huán)境安全評(píng)價(jià)方法，包括如下步驟：

4、(1)構(gòu)建振動(dòng)條件下結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力數(shù)學(xué)模型；

5、(2)獲取地鐵附屬結(jié)構(gòu)混凝土力學(xué)參數(shù)；

6、(3)利用步驟(1)的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力數(shù)學(xué)模型獲得待監(jiān)測的地鐵位置結(jié)構(gòu)所受動(dòng)態(tài)應(yīng)力；

7、(4)比較待監(jiān)測的地鐵位置結(jié)構(gòu)所受動(dòng)態(tài)應(yīng)力與地鐵附屬結(jié)構(gòu)混凝土力學(xué)參數(shù)，從而判斷地鐵振動(dòng)環(huán)境是否安全。

8、上述基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的地鐵振動(dòng)環(huán)境安全評(píng)價(jià)方法，在步驟(1)中，基于動(dòng)態(tài)應(yīng)力計(jì)算公式建立振動(dòng)速度、振動(dòng)頻率與動(dòng)態(tài)應(yīng)力的關(guān)系；

9、地鐵振動(dòng)在結(jié)構(gòu)體中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)力為：

10、σ＝ρvfc????????????(1)；

11、式(1)中，σ為動(dòng)態(tài)應(yīng)力值，mpa；ρ為結(jié)構(gòu)體密度，g/cm3；vf為折合速度，cm/s；c為縱波波速，m/s。

12、上述基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的地鐵振動(dòng)環(huán)境安全評(píng)價(jià)方法，折合速度公式vf通過如下公式得到：

13、vf＝kv???????????(2)；

14、式(2)中，vf為折合速度，cm/s；k為頻率效應(yīng)影響系數(shù)；v為實(shí)測質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s。

15、上述基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的地鐵振動(dòng)環(huán)境安全評(píng)價(jià)方法，頻率效應(yīng)影響系數(shù)k通過如下公式得到：

16、

17、式(3)中，k為頻率效應(yīng)影響系數(shù)；β為頻率比例系數(shù)，β＝1～4；fb為振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)頻率；fg為結(jié)構(gòu)自振頻率。

18、上述基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的地鐵振動(dòng)環(huán)境安全評(píng)價(jià)方法，基于公式(2)、公式(3)，將公式(1)進(jìn)行優(yōu)化處理得到：

19、

20、式(4)中，σ為動(dòng)態(tài)應(yīng)力值，mpa；ρ為結(jié)構(gòu)體密度，g/cm3；c為縱波波速，m/s；v為實(shí)測質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s；f為頻率系數(shù)；

21、由式(4)得到：結(jié)構(gòu)所受動(dòng)態(tài)應(yīng)力與結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度v成正比，與結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)頻率f成反比。

22、上述基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的地鐵振動(dòng)環(huán)境安全評(píng)價(jià)方法，在步驟(2)中，獲得振動(dòng)測試位置的地鐵附屬結(jié)構(gòu)混凝土力學(xué)參數(shù)，包括如下參數(shù)：結(jié)構(gòu)體密度ρ、彈性模量、抗拉強(qiáng)度、縱波波速c。

23、上述基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的地鐵振動(dòng)環(huán)境安全評(píng)價(jià)方法，在步驟(3)，在地鐵振動(dòng)測試位置布置測點(diǎn)，測點(diǎn)布置原則：覆蓋采集區(qū)域內(nèi)所有區(qū)域，測點(diǎn)間距為30-40m；振動(dòng)采集原則：包括工作日和周末，同時(shí)工作日重點(diǎn)檢測時(shí)間段包括早晚高峰以及日常時(shí)段；采集參數(shù)包括峰值振動(dòng)加速度和主振頻率。

24、上述基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的地鐵振動(dòng)環(huán)境安全評(píng)價(jià)方法，根據(jù)所采集的峰值振動(dòng)加速度和主振頻率，利用結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力數(shù)學(xué)模型，獲得地鐵待測位置的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力。

25、上述基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的地鐵振動(dòng)環(huán)境安全評(píng)價(jià)方法，在步驟(4)中，待監(jiān)測的地鐵位置結(jié)構(gòu)所受動(dòng)態(tài)應(yīng)力與地鐵附屬結(jié)構(gòu)本身的抗拉強(qiáng)度的比值，作為評(píng)價(jià)安全的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

26、上述基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的地鐵振動(dòng)環(huán)境安全評(píng)價(jià)方法，當(dāng)待監(jiān)測的地鐵位置結(jié)構(gòu)所受動(dòng)態(tài)應(yīng)力與地鐵附屬結(jié)構(gòu)本身的抗拉強(qiáng)度的比值小于0.5時(shí)，則環(huán)境安全評(píng)價(jià)為安全；

27、當(dāng)待監(jiān)測的地鐵位置結(jié)構(gòu)所受動(dòng)態(tài)應(yīng)力與地鐵附屬結(jié)構(gòu)本身的抗拉強(qiáng)度的比值在0.5與0.8之間時(shí)，則環(huán)境安全評(píng)價(jià)為較安全，適當(dāng)增加監(jiān)測頻次；

28、當(dāng)待監(jiān)測的地鐵位置結(jié)構(gòu)所受動(dòng)態(tài)應(yīng)力與地鐵附屬結(jié)構(gòu)本身的抗拉強(qiáng)度的比值在0.8與1之間時(shí)，則環(huán)境安全評(píng)價(jià)為較危險(xiǎn)，對(duì)監(jiān)測結(jié)構(gòu)適當(dāng)加固；

29、當(dāng)待監(jiān)測的地鐵位置結(jié)構(gòu)所受動(dòng)態(tài)應(yīng)力與地鐵附屬結(jié)構(gòu)本身的抗拉強(qiáng)度的比值大于1時(shí)，則環(huán)境安全評(píng)價(jià)為危險(xiǎn)。

30、本發(fā)明的技術(shù)方案取得了如下有益的技術(shù)效果：

31、1、引入頻率效應(yīng)影響系數(shù)，提出了與結(jié)構(gòu)自振頻率、環(huán)境振動(dòng)頻率相關(guān)的折合速度，同時(shí)結(jié)合動(dòng)態(tài)應(yīng)力計(jì)算公式建立了振動(dòng)速度、振動(dòng)頻率與動(dòng)態(tài)應(yīng)力的關(guān)系。根據(jù)所建立的地鐵振動(dòng)下結(jié)構(gòu)體動(dòng)態(tài)應(yīng)力計(jì)算公式可知，結(jié)構(gòu)所受動(dòng)態(tài)應(yīng)力與結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度成正比、與結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)頻率成反比。

32、2、根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力數(shù)學(xué)模型計(jì)算獲得了測試位置動(dòng)態(tài)應(yīng)力的大小，測點(diǎn)1～測點(diǎn)8結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)所收到的動(dòng)應(yīng)力值為0.05mpa～0.25mpa，每個(gè)質(zhì)點(diǎn)受到最大應(yīng)力時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間均為運(yùn)營高峰階段。

33、3、動(dòng)態(tài)應(yīng)力與結(jié)構(gòu)本身的抗拉強(qiáng)度的比值可作為結(jié)構(gòu)振動(dòng)安全的衡量標(biāo)準(zhǔn)。從目前檢測所獲得的數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)體動(dòng)態(tài)應(yīng)力值小于結(jié)構(gòu)自身的抗拉強(qiáng)度，對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響有限，但隨著地鐵運(yùn)營年限的增加，軌道磨損加重，引發(fā)的振動(dòng)將變大，長遠(yuǎn)來看地鐵振動(dòng)監(jiān)測是必要的，振動(dòng)引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞是一個(gè)長期累計(jì)的過程，時(shí)刻關(guān)注振動(dòng)變化是對(duì)軌道磨損狀態(tài)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的直接有效、成本可控的手段。

34、4、本申請(qǐng)基于現(xiàn)場調(diào)查與監(jiān)測數(shù)據(jù)，引入頻率效應(yīng)影響系數(shù)，以動(dòng)態(tài)應(yīng)力為基礎(chǔ)，構(gòu)建了包括振動(dòng)頻率和振動(dòng)速度的雙指標(biāo)評(píng)價(jià)模式，建立了基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的地鐵振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)。

技術(shù)特征：

1.基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的地鐵振動(dòng)環(huán)境安全評(píng)價(jià)方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的地鐵振動(dòng)環(huán)境安全評(píng)價(jià)方法，其特征在于，在步驟(1)中，基于動(dòng)態(tài)應(yīng)力計(jì)算公式建立振動(dòng)速度、振動(dòng)頻率與動(dòng)態(tài)應(yīng)力的關(guān)系；

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的地鐵振動(dòng)環(huán)境安全評(píng)價(jià)方法，其特征在于，折合速度公式vf通過如下公式得到：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的地鐵振動(dòng)環(huán)境安全評(píng)價(jià)方法，其特征在于，頻率效應(yīng)影響系數(shù)k通過如下公式得到：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的地鐵振動(dòng)環(huán)境安全評(píng)價(jià)方法，其特征在于，基于公式(2)、公式(3)，將公式(1)進(jìn)行優(yōu)化處理得到：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的地鐵振動(dòng)環(huán)境安全評(píng)價(jià)方法，其特征在于，在步驟(2)中，獲得振動(dòng)測試位置的地鐵附屬結(jié)構(gòu)混凝土力學(xué)參數(shù)，包括如下參數(shù)：結(jié)構(gòu)體密度ρ、彈性模量、抗拉強(qiáng)度、縱波波速c。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的地鐵振動(dòng)環(huán)境安全評(píng)價(jià)方法，其特征在于，在步驟(3)，在地鐵振動(dòng)測試位置布置測點(diǎn)，測點(diǎn)布置原則：覆蓋采集區(qū)域內(nèi)所有區(qū)域，測點(diǎn)間距為30-40m；振動(dòng)采集原則：包括工作日和周末，同時(shí)工作日重點(diǎn)檢測時(shí)間段包括早晚高峰以及日常時(shí)段；采集參數(shù)包括峰值振動(dòng)加速度和主振頻率。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的地鐵振動(dòng)環(huán)境安全評(píng)價(jià)方法，其特征在于，根據(jù)所采集的峰值振動(dòng)加速度和主振頻率，利用結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力數(shù)學(xué)模型，獲得地鐵待測位置的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的地鐵振動(dòng)環(huán)境安全評(píng)價(jià)方法，其特征在于，在步驟(4)中，待監(jiān)測的地鐵位置結(jié)構(gòu)所受動(dòng)態(tài)應(yīng)力與地鐵附屬結(jié)構(gòu)本身的抗拉強(qiáng)度的比值，作為評(píng)價(jià)安全的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的地鐵振動(dòng)環(huán)境安全評(píng)價(jià)方法，其特征在于，當(dāng)待監(jiān)測的地鐵位置結(jié)構(gòu)所受動(dòng)態(tài)應(yīng)力與地鐵附屬結(jié)構(gòu)本身的抗拉強(qiáng)度的比值小于0.5時(shí)，則環(huán)境安全評(píng)價(jià)為安全；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的地鐵振動(dòng)環(huán)境安全評(píng)價(jià)方法，包括如下步驟：構(gòu)建振動(dòng)條件下結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力數(shù)學(xué)模型；獲取地鐵附屬結(jié)構(gòu)混凝土力學(xué)參數(shù)；利用結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力數(shù)學(xué)模型獲得待監(jiān)測的地鐵位置結(jié)構(gòu)所受動(dòng)態(tài)應(yīng)力；比較待監(jiān)測的地鐵位置結(jié)構(gòu)所受動(dòng)態(tài)應(yīng)力與地鐵附屬結(jié)構(gòu)混凝土力學(xué)參數(shù)，從而判斷地鐵振動(dòng)環(huán)境是否安全。本申請(qǐng)基于現(xiàn)場調(diào)查與監(jiān)測數(shù)據(jù)，引入頻率效應(yīng)影響系數(shù)，以動(dòng)態(tài)應(yīng)力為基礎(chǔ)，構(gòu)建了包括振動(dòng)頻率和振動(dòng)速度的雙指標(biāo)評(píng)價(jià)模式，建立了基于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的地鐵振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)。

技術(shù)研發(fā)人員：孫景來,武旭,王新靈,劉繼堯,方慧,蘇越,郭林峰,白天琦,王如寬
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京市市政工程研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9