CC BY
33Доклады IX Академических чтений РААСН «Актуальные вопросы строительной физики»
цн .1
Научно-технический и производственный журнал
УДК 625.4
В.А. СМИРНОВ, канд. техн. наук (belohvost@list.ru)
Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, г. Москва, Локомотивный пр., 21)
Виброзащита верхнего строения пути метрополитена с применением конструкции типа «масса-пружина»
Линии метро являются источниками повышенной вибрации, которая передается по грунту до зданий, находящихся на расстоянии до 40 м от оси тоннеля и распространяется по нему, зачастую превышая нормируемые санитарными требованиями или требованиями механической безопасности показатели. Снижение превышений на проектируемых, или действующих линиях метрополитена возможно за счет применения виброзащитной конструкции верхнего строения пути, наиболее эффективной из которых является система «масса-пружина». Дан анализ текущих эксплуатируемых аналогов, а также представлены положения расчета конструкции при действии подвижной нагрузки как бесконечно длинной балки, лежащей на нелинейно-упругом основании. Приведена оценка эффективности виброизоляции данной системы при движении поездов.
Ключевые слова: вибрация, система «масса-пружина», верхнее строение пути, линии метрополитена, виброизоляция.
Для цитирования: Смирнов В.А. Виброзащита верхнего строения пути метрополитена с применением конструкции типа «масса-пружина» // Жилищное строительство. 2018. № 6. С. 32-35.
V.A. SMIRNOV, Candidate of Sciences (Engineering) (belohvost@list.ru) Scientific-Research Institute of Building Physics of the Russian Academy architecture and construction sciences (21, Lokomotivniy Driveway, Moscow,127238, Russian Federation)
Vibro-Protection of Subway Upper Track Structure of with the Use of the Structure of "Mass-Spring" Type
Subway lines are sources of increased vibration, which is transmitted through the ground to the buildings located up to 40 m from the tunnel axis and spreading over it, often exceeding the vibration limits specified by sanitary standards or mechanical safety requirements. Reducing exceeding values on the designed or operating metro lines is possible by application of a vibration-isolation of the upper track structure, the most effective of which is the «mass-spring» system or '"floating slab". The article gives an analysis of the current analogues under operation, as well as the provisions for the design of this system subjected to the moving load as an infinitely long beam lying on a nonlinear-elastic foundation. The vibration isolation efficiency of this system during the movement of trains is estimated.
Keywords: vibration, mass-spring system, upper track structure, subway lines, vibration isolation.
For citation: Smirnov V.A. Vibro-protection of subway upper track structure of with the use of the structure of "mass-spring" type. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2018. No. 6, pp. 32-35. (In Russian).
В соответствии с утвержденным «Планом развития метрополитена до 2020 г.» планируется существенное расширение его сети и прокладка тоннелей как в центральной части города, так и в пригородах. При этом новые трассы метрополитена пройдут в границах существующей сложившейся городской застройки. Учитывая размер технической зоны метрополитена, который составляет 40 м в обе стороны от внешнего контура сооружений, значительная часть сложившейся городской застройки оказывается в зоне влияния вибрационного и шумового загрязнения от линий метро, что подтверждается результатами проведенных специалистами НИИСФ РААСН [1-3], ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в г. Москве» [4] натурных измерений на действующих и новых ветках метро (рис. 1).
Вибро-шумовое загрязнение возникает при взаимодействии колесной пары и рельса. Оно усиливается в области стыков и на неровностях поверхности катания [5-7], что приводит к возникновению динамических нестационарных нагрузок и вибрации элементов верхнего строения пути. Вибрация верхнего строения пути передается на тоннель, от него по грунту на фундамент здания и проникает в помещение, вызывая не только вибрацию стен и перекрытий, но
32| -
и структурный шум в помещении. Вибрация, создаваемая в помещениях жилых и общественных зданий от движения
2 31,5 63 Частота, Гц 125 140
Рис. 1. Спектрограмма колебаний поверхности грунта над тоннелем метрополитена
^^^^^^^^^^^^^^ 62018
Научно-технический и производственный журнал
Reports of the IX Academic reading RAACS «Actual issues of building physics»
- Реэинобые упругие элементы
Промежуточное рельсовое скрепление - Ж/5 путедая плита
7777777777777777/
— РезиноВые упругие элементы
- Промежуточное рельсодое скрепление - Ж/5 путедая плита
Рис. 2. Эксплуатирующиеся на Московском метрополитене конструкции: а — резиновые упругие элементы прямоугольной формы, уложенные под железобетонными блоками («лотками»); б — резиновые элементы располагаются под наклонными боковыми поверхностями лотков с типовой рельсошпальной решеткой; в — система «масса-пружина»
поездов метрополитена, носит непостоянный прерывистый характер с выраженным преобладанием сигнала в полосе частот 22,5-90 Гц (как показано на результатах измерений, рис. 1) и повторяется с периодом, определяемым графиком движения поездов метрополитена.
В настоящее время оценку вибрации от движения поездов метрополитена в помещениях жилых и общественных зданий, расположенных вблизи тоннелей, проводят на основании сопоставления рассчитанных или измеренных в помещениях уровней вибрации с требованиями федеральных санитарных норм СН 2.2.4/2.1.8.566-96 «Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий. Санитарные нормы». Санитарные нормы и правила являются обязательными к применению на территории РФ в соответствии с положениями Федерального закона № 52-ФЗ от 30.03.1999 г. «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения». В СН 2.2.4/2.1.8.566-96 в качестве нормируемого параметра непостоянной вибрации принято эквивалентное корректированное значение виброскорости УЭКв или виброускорения аэкв или их логарифмические уровни -Ц>экв> ^йэкв в дБ. В соответствии с положениями федеральных СП 120.13330.2012 «Метрополитены. Актуализированная редакция СНиП 32-02-2003 (с Изменениями № 1, 2)», 52-ФЗ, 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» и ведомственных нормативных документов факт превышения требований СН приводит к необходимости разработки технических решений по их снижению.
Наиболее эффективным способом снижения вибрации в помещениях жилых и общественных зданий, попадающих в зону влияния линий метрополитена, является виброизоляция «в источнике» [8, 9], т. е. в тоннеле метрополитена
Рис. 3. Поперечник тоннеля с СМП
с применением системы «масса-пружина» (СМП), конструкция которой предполагает размещение рельсошпальной решетки на поверхности железобетонной путевой плиты, которая опирается на тоннельную обделку через набор упругих вибродемпфирующих элементов. За счет высокой массы конструкции и низкой жесткости упругих элементо-вэффективность виброизоляции достигает 30 дБ в октав-ной полосе со среднегеометрической частотой 31,5 Гц [10].
СМП эксплуатируется на различных участках Московского метрополитена с 1977 г. по настоящее время. На рис. 2, а представлена конструкция пути, эксплуатирующаяся с 1977 г. на перегоне ст. «Ботанический сад» - ст. «Свиблово», разработанная по проекту Метрогипротранса [11]. В ней резиновые упругие элементы прямоугольной формы, уложенные под железобетонными блоками (лотками), работают только на вертикальную нагрузку. На этих лотках устраивается типовое верхнее строение пути с деревянными шпалами, втопленными в бетон. В варианте, представленном на рис. 2, б, резиновые элементы располагаются под наклонными боковыми поверхностями лотков с типовой рельсошпальной решеткой [12]. В такой конструкции резиновые блоки работают не только на сжатие, но и на сдвиг. С 2005 г. на ст. «Деловой Центр» эксплуатируется система «масса-пружина» по рис. 2, в, состоящая из монолитной железобетонной плиты (класс бетона В35), покрытой гидроизоляционной пропиткой, в которой в качестве упругих элементов выступают пружинные виброизоляторы зарубежной фирмы. За счет применения низкочастотных виброизоляторов данная конструкция обладает наибольшей эффективностью (до 30 дБ в октавной полосе со среднегеометрической частотой 31,5 Гц). При этом прогиб конструкции при движении поезда не превышает 5 мм.
Основной сложностью, возникающей при эксплуатации и оценке реальной эффективности СМП, представленных на рис. 2, а, б, является неправильный учет динамической работы резинового упругого элемента [12], не учет потерь при старении материала, отсутствие аппарата для детального математического моделирования и автоматизированного проектирования конструкции ВСП.
Рис. 4. Динамическая модель для расчета СМП
62018
33
а
Доклады IX Академических чтений РААСН «Актуальные вопросы строительной физики»
цн .1
Научно-технический и производственный журнал
Зарубежный опыт строительства СМП показывает, что в качестве упругого элемента в СМП все чаще применяются вибродемпфирующие материалы, выполненные из вспененного полиуретана [13, 14]. Основным показателем, характеризующим качество вибродемпфирующего эла-стомерного материала, является отношение между статической кяа1 и динамической кауп жесткостью. Статическая жесткость определяет прогибы СМП под постоянными и временными нагрузками, динамическая - эффективность виброизоляции. Известно [15], что жесткость эластомерных материалов повышается с увеличением частоты внешнего динамического воздействия. Для резин отношение кйуп/кэ1а( лежит в пределах 1,5 - 2,5, в то время как для вспененного полиуретана - около 1,3, что убедительно свидетельствует о более высокой эффективности СМП [10].
В качестве путевой плиты в СМП применяют монолитную или сборную железобетонную конструкцию, жесткость которой учитывается в динамическом расчете. В случае если изгибающий момент в плите не превышает момента трещинообразования, жесткость можно принять линейной в диапазоне нагрузок на плиту. При этом для оценки долговечности конструкции необходимо учитывать историю на-гружения и эффекты старения материалов.
На рис. 3 представлена конечно-элементная модель тоннеля с СМП, проектируемой в настоящее время на десятом этапе Кожуховской линии.
На основании выполненного в соответствии с методикой СП 23-105-2004 «Оценка вибрации при проектировании, строительстве и эксплуатации объектов метрополитена» прогноза уровней вибрации в жилых и общественных зданиях, расположенных вблизи линии, определены участки, требующие устройства виброзащитной конструкции ВСП с заданной эффективностью. Расчет показал, что при собственной частоте виброзащитной системы в 12 Гц и массе в 3 т/м будет обеспечено выполнение требований СН в зданиях. Последовательность расчета системы итерационная, учитывает, как статические, так и динамические характеристики используемых материалов с учетом их старения в процессе длительной эксплуатации.
Статический расчет и расчет армирования выполнены в соответствии с действующим СП 63.13330 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003 (с Изменениями № 1, 2, 3)» с учетом положений СП 35.13330 «Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.03-84* (с Изменением № 1)». Расчетная схема для определения требуемых динамических характеристик вибродемпфиру-ющих материалов представлена на рис. 4, в которой как
рельсы, так и путевая плита моделируются бесконечной балкой на упругом основании [16, 17].
Уравнение колебаний рельса и путевой плиты может быть записано в виде:
дх
д(
(1)
д( де
где Б11 и £72 - изгибная жесткость рельса и путевой плиты; т1, т2 - массы рельса и путевой плиты; kl, - жесткость подрельсовых прокладок и вибродемпфирующих матов; cí, с2 - демпфирование подрельсовых прокладок и вибро-демпфирующих матов; Р(х^) = е"*3(х-у1) - единичная гармоническая подвижная нагрузка на рельс от колеса поезда.
На основании проведенного расчета по формуле (1) с учетом требований СП 35.13330 определены прогибы рельсового пути при движении поезда метро, которые представлены на рис. 5.
Максимальные прогибы рельса под нагрузкой от поезда не превышают 0,42 мм, как показано черной линией на рис. 5; прогибы плиты - 3,18 мм, как показано синей линией на рис. 5.
Сглаженная передаточная функция системы, представленная на рис. 6, получена по результатам динамического расчета по формуле (1). В ней отмечается наличие двух резонансов, первый из которых соответствует колебаниям системы как жесткого тела и характеризует виброзащитную эффективность конструкции, которая составляет не менее 17,2 дБ в октавной полосе со среднегеометрической частотой 31,5 Гц.
Виброзащитная конструкция ВСП по системе «масса-пружина» является наиболее эффективной с точки зрения снижения вибрации, вызванной движением поездов метрополитена, обеспечивает высокие эксплуатационные показатели (постоянство геометрии рельсовой колеи, минимизация эксплуатационных затрат по текущему содержанию и ремонту) и длительный срок службы. Представленный комплекс расчетов и натурных измерений, подкрепляемый опытом лабораторных испытаний вибродемпфирующих материалов, позволяет гарантировать эффективную работу виброзащитной конструкции ВСП по системе «масса-пружина» в широком диапазоне нагрузок от подвижного состава и снизить вибрацию в помещениях жилых и общественных зданий, расположенных вблизи линии метрополитена, до нормативных значений.
34
62018
Научно-технический и производственный журнал
Reports of the IX Academic reading RAACS «Actual issues of building physics»
Список литературы
1. Smirnov V., Tsukernikov I. To the Question of Vibration Levels Prediction Inside Residential Buildings Caused by Underground Traffic // Procedia Engineering. 2017. № 176, pp. 371-380.
2. Смирнов В.А., Филиппова П.А., Цукерников И.Е. Анализ вибраций в жилом здании, находящемся в технической зоне метрополитена // Биосферная совместимость: человек, регион, технологии. 2017. № 3 (19). С. 87-95.
3. Смирнов В.А., Цукерников И.Е. Экспериментальные исследования уровней вибрации перекрытий жилых зданий, вызванных движением поездов метрополитена // Строительство и реконструкция. 2016. № 4 (66). С. 85-92.
4. Руднева Е.А. Анализ результатов измерений уровней вибрации в жилых домах при движении поездов метрополитена, выполненных специалистами ФБЦЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в г. Москве в период с 2014 по 2017 г.». Сборник материалов международной научно-практической конференции «Проблемы экологической безопасности, энергосбережение в строительстве и ЖКХ». Москва - Кавала. 2017. С. 22-26.
5. Sheng X., Jones C.J.C., Thompson D.J. A theoretical study of the influence of the track on train-induced ground vibration // Journal of Sound and Vibration. 2004. № 272 (3-5), pp. 909-936.
6. Sheng X., Jones C.J.C., Thompson D.J. A theoretical model for ground vibration from trains generated by vertical track irregularities // Journal of Sound and Vibration. 2004. № 272 (3-5), pp. 937-965.
7. Kaewunruen Sakdirat & Aikawa, Akira & Remennikov, Alex. Vibration Attenuation at Rail Joints through under Sleeper Pads // Procedia Engineering. 2017. № 189, pp. 193-198.
8. Dudkin E.P.; Andreeva L.A.; Sultanov N.N. Methods of Noise and Vibration Protection on Urban Rail Transport // Procedia Engineering. 2017. № 189, pp. 829-835.
9. Talbot Hunt. Isolation of Buildings from Rail-Tunnel Vibration: a Review // Building Acoustics. 2003. № 10, pp. 177-192.
10. Смирнов В.А. Новые виброзащитные конструкции верхнего строения пути // Евразия-вести. 2018. № 4. C. 21.
11. Горст A., Дорман И., Богомолов Г., Муромцев Ю. Виброизолированная конструкция нижнего строения пути // Метрострой. 1981. № 2. С. 13-15.
12. Барабошин В.Ф. Основные параметры новой конструкции пути метрополитенов с повышенными виброзащитными свойствами // Труды ВНИИЖТ. 1981. № 630. С. 26-53.
13. Gerber T., Hengelmann A., Laborenz P., Rubi T., Trovato M., Ziegler A. Feste Fahrbahn mit Erschütterungsund Kürperschallschutz. Hrsg.: Der Eisenbahningenieur // Eurailpress, Hamburg März. 2012, pp. 27-32.
14. Berger P.; Lang J. Österreicher M.; Steinhauser P. Wirksamkeit der Schutzmaßnahmen gegen U-Bahn-Immissionen für den Wiener Musikverein // Zement und Beton. 2005. № 2, pp. 20-27.
15. Smith G. M., Bierman R. L., Zitek S. J. Determination of dynamic properties of elastomers over broad frequency range // Experimental Mechanics. 1983. Vol. 23, pp. 158-164.
16. Lombaert G., Degrande G., Vanhauwere B., Vandeborght B., François S. The control of groundborne vibrations from railway traffic by means of continuous floating slabs // Journal of Sound and Vibration. 2006. № 297, pp. 946-961.
17. Ruge P., Birk C. A comparison of infinite Timoshenko and Euler-Bernoulli beam models on Winkler foundation in the frequency- and time-domain // Journal of Sound and Vibration. 2007. № 304, pp. 932-947.
6'2018 ^^^^^^^^^^^^^^
References
1. Smirnov V., Tsukernikov I. To the Question of Vibration Levels Prediction Inside Residential Buildings Caused by Underground Traffic. Procedia Engineering. 2017. No. 176, pp. 371-380.
2. Smirnov V.A., Filippova P.A., Tsukernikov I.Ye. Analysis of vibrations in a residential building located in the technical area of the subway. Biosfernaya sovmestimosf: chelovek, region, tekhnologii. 2017. No. 3 (19), pp. 87-95. (In Russian).
3. Smirnov V.A., Tsukernikov I.Ye. Experimental studies of vibration levels of floors of residential buildings caused by the movement of underground trains. Stroitel'stvo i rekonstruktsiya. 2016. No. 4 (66). pp. 85-92. (In Russian).
4. Rudneva Ye.A. Analysis of the results of measurements of vibration levels in residential houses during the movement of metro trains carried out by the specialists of the FBTSZ «Center for Hygiene and Epidemiology in Moscow between 2014 and 2017». Sbornik materialov mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Problemy ekologicheskoy bezopasnosti, energosberezheniye v stroitel'stve i ZHKKH». Moskva - Kavala. 2017, pp. 22-26. (In Russian).
5. Sheng X., Jones C.J.C., Thompson D.J. A theoretical study of the influence of the track on train-induced ground vibration. Journal of Sound and Vibration. 2004. No. 272 (3-5), pp. 909-936.
6. Sheng X., Jones C.J.C., Thompson D.J. A theoretical model for ground vibration from trains generated by vertical track irregularities. Journal of Sound and Vibration. 2004. No. 272 (3-5), pp. 937-965.
7. Kaewunruen, Sakdirat & Aikawa, Akira & Remennikov, Alex. Vibration Attenuation at Rail Joints through under Sleeper Pads. Procedia Engineering. 2017. No. 189, pp. 193-198.
8. Dudkin E.P.; Andreeva L.A.; Sultanov N.N. Methods of Noise and Vibration Protection on Urban Rail Transport. Procedia Engineering. 2017. No. 189, pp. 829-835.
9. Talbot Hunt. Isolation of Buildings from Rail-Tunnel Vibration: a Review. Building Acoustics. 2003. No. 10, pp. 177-192.
10. Smirnov V.A. New vibration isolation upper-track structures. Yevraziya-vesti. 2018. No. 4, pp. 21 (In Russian).
11. Gorst A., Dorman I., Bogomolov G., Muromtsev YU. Vibration isolation design of the lower track structure. Metrostroy. 1981. No. 2, pp. 13-15. (In Russian).
12. Baraboshin V.F. The main parameters of the new design of the metro routes with increased vibro-protective properties. Trudy VNIIZHT. 1981. No. 630, pp. 26-53. (In Russian).
13. Gerber T., Hengelmann A., Laborenz P., Rubi T., Trovato M., Ziegler A. Feste Fahrbahn mit Erschütterungsund Körperschallschutz. Hrsg.: Der Eisenbahningenieur. Eurailpress, Hamburg März. 2012, pp.27-32.
14. Berger P.; Lang J.; Österreicher M.; Steinhauser P. Wirksamkeit der Schutzmaßnahmen gegen U-Bahn-Immissionen für den Wiener Musikverein. Zement und Beton. 2005. No. 2, pp. 20-27.
15. Smith G. M., Bierman R. L., Zitek S. J. Determination of dynamic properties of elastomers over broad frequency range. Experimental Mechanics. 1983. Vol. 23, pp. 158-164.
16. Lombaert G., Degrande G., Vanhauwere B., Vandeborght B., François S. The control of groundborne vibrations from railway traffic by means of continuous floating slabs. Journal of Sound and Vibration. 2006. No. 297, pp. 946-961.
17. Ruge P., Birk C. A comparison of infinite Timoshenko and Euler-Bernoulli beam models on Winkler foundation in the frequency- and time-domain. Journal of Sound and Vibration. 2007. No. 304, pp. 932-947.
- 35
