一种临交通隧道建筑结构振动分析方法和设备

1.本发明涉及土木工程技术领域，具体涉及一种临交通隧道建筑结构振动分析方法和设备。


背景技术：

2.交通隧道的建设对城市交通的发展具有重要意义，但与此同时，交通隧道施工和使用过程中所产生的振动也可能对临近建筑物造成损伤或不适。因此，研究临交通隧道建筑物振动特性，分析其机理和规律，有助于评估交通隧道振动对周围建筑物的影响，保障周围建筑物的安全和舒适性。
3.目前对于车致振动在桩基、隧道及土体中的传播规律还缺乏有效的传播模型，因此需要建立精确的传播模型，以便更好地模拟交通荷载对隧道、土体与临交通隧道结构的桩基振动响应。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种临交通隧道结构振动分析方法和设备，以克服目前缺少传播模型，无法对临交通隧道建筑进行结构分析的问题。
5.为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
6.一方面，本技术提供了一种临交通隧道建筑结构振动分析方法，包括：
7.获取地层土体参数，根据所述地层土体参数建立地层结构模型；
8.获取隧道参数，根据所述隧道参数在所述地层结构模型中建立隧道结构模型；
9.获取桩基参数，根据所述桩基参数通过植入式梁单元在所述地层结构模型中建立桩基结构模型；
10.根据所述地层结构模型、所述隧道结构模型和所述桩基结构模型，建立有限元振动传播模型；
11.获取建筑参数，根据所述建筑参数在所述有限元振动传播模型中建立有限元建筑结构模型；
12.获取交通隧道载荷激励，并将所述交通隧道载荷激励输入到所述有限元振动传播模型中；
13.分别获取所述有限元振动传播模型和所述有限元建筑结构模型的振动数据，并根据所述振动数据进行振动分析。
14.进一步的，以上所述的方法，所述获取地层土体参数，根据所述地层土体参数建立地层结构模型，包括：
15.获取地层土体参数，并对所述地层土体参数进行简化处理；
16.根据简化处理后的所述地层土体参数，确定模型尺寸与网格尺寸；
17.根据所述模型尺寸、所述网格尺寸和简化处理后的所述地层土体参数，建立地层结构模型。
18.进一步的，以上所述的方法，所述获取建筑参数，根据所述建筑参数在所述有限元振动传播模型中建立有限元建筑结构模型，包括：
19.获取建筑参数，并根据所述建筑参数建立yjk建筑模型；
20.通过midas接口将所述yjk建筑模型转换为midas gen建筑模型；
21.根据所述midas gen建筑模型，建立有限元建筑结构模型。
22.进一步的，以上所述的方法，所述交通隧道载荷激励包括：动力载荷激励和静力载荷激励。
23.进一步的，以上所述的方法，所述动力载荷激励包括：公路隧道动力载荷激励和地铁隧道动力载荷激励。
24.进一步的，以上所述的方法，所述桩基参数包括：桩基材料参数和桩基结构参数。
25.进一步的，以上所述的方法，所述隧道参数包括：隧道材料参数和隧道结构参数。
26.进一步的，以上所述的方法，所述分别获取所述有限元振动传播模型和所述有限元建筑结构模型的振动数据，并根据所述振动数据进行振动分析，包括：
27.获取不同地层土体参数下所述有限元振动传播模型和所述有限元建筑结构模型的振动数据，并根据所述振动数据进行振动分析；
28.获取不同桩基结构参数下所述有限元振动传播模型和所述有限元建筑结构模型的振动数据，并根据所述振动数据进行振动分析；
29.获取不同隧道结构参数下所述有限元振动传播模型和所述有限元建筑结构模型的振动数据，并根据所述振动数据进行振动分析。
30.另一方面，本技术还提供了一种临交通隧道建筑结构振动分析设备，包括处理器和存储器，所述处理器与存储器相连：
31.其中，所述处理器，用于调用并执行所述存储器中存储的程序；
32.所述存储器，用于存储所述程序，所述程序至少用于执行以上任一项所述的临交通隧道建筑结构振动分析方法。
33.本发明的有益效果为：
34.本技术首先获取地层土体参数，根据地层土体参数建立地层结构模型，获取隧道参数，根据隧道参数在地层结构模型中建立隧道结构模型，获取桩基参数，根据桩基参数通过植入式梁单元在地层结构模型中建立桩基结构模型，根据地层结构模型、隧道结构模型和桩基结构模型，建立有限元振动传播模型，获取建筑参数，根据建筑参数在有限元振动传播模型中建立有限元建筑结构模型，获取交通隧道载荷激励，并将交通隧道载荷激励输入到有限元振动传播模型中，分别获取有限元振动传播模型和有限元建筑结构模型的振动数据，并根据振动数据进行振动分析。在本技术中，根据具体的参数建立地层结构模型，并在地层结构模型中建立隧道结构模型和桩基结构模型，然后在地层结构模型中建立有限元建筑结构模型，完成有限元振动传播模型，最后获取交通隧道载荷激励，并输入到隧道结构模型中，进行振动分析，为临交通隧道的建筑结构振动在设计阶段、施工阶段的预先评估和优选减振措施提供有效振动评估技术手段，从而解决了目前缺少传播模型，无法对临交通隧道建筑进行结构分析的问题。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1是本发明一种临交通隧道建筑结构振动分析方法一种实施例提供的流程图；
37.图2是本发明一种临交通隧道建筑结构振动分析设备一种实施例提供的结构示意图；
38.图3是本发明一种临交通隧道建筑结构振动分析方法一种实施例提供的一种简化后的起伏地层分布示意图；
39.图4是本发明一种临交通隧道建筑结构振动分析方法一种实施例提供的一种有限元振动传播模型轴侧图；
40.图5是本发明一种临交通隧道建筑结构振动分析方法一种实施例提供的一种有限元振动传播模型隧道切面示意图；
41.图6是本发明一种临交通隧道建筑结构振动分析方法一种实施例提供的一种结构排桩桩基划分示意图；
42.图7是本发明一种临交通隧道建筑结构振动分析方法一种实施例提供的一种有限元振动传播模型沿x方向剖面示意图；
43.图8是本发明一种临交通隧道建筑结构振动分析方法一种实施例提供的一种有限元振动传播模型沿y方向剖面示意图；
44.图9是本发明一种临交通隧道建筑结构振动分析方法一种实施例提供的一种有限元振动传播模型沿z方向剖面示意图。
具体实施方式
45.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
46.目前对于车致振动在桩基、隧道及土体中的传播规律还缺乏有效的传播模型，因此需要建立精确的传播模型，以便更好地模拟交通荷载对隧道、土体与临交通隧道结构的桩基振动响应。
47.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种临交通隧道结构振动分析方法和设备，以克服目前缺少传播模型，无法对临交通隧道建筑进行结构分析的问题。
48.图1是本发明一种临交通隧道建筑结构振动分析方法一种实施例提供的流程图。请参阅图1，本实施例可以包括以下步骤：
49.s1、获取地层土体参数，根据地层土体参数建立地层结构模型。
50.s2、获取隧道参数，根据隧道参数在地层结构模型中建立隧道结构模型。
51.s3、获取桩基参数，根据桩基参数通过植入式梁单元在地层结构模型中建立桩基结构模型。
52.在一些可选的实施例中，基于临交通隧道建筑物结构桩基与隧道的平面位置关系建立桩基单元，在桩基建模时借助植入式梁单元来考虑桩基与土体的耦合作用，在保证模型精确性的前提下可以大幅减少建模时间。
53.s4、根据地层结构模型、隧道结构模型和桩基结构模型，建立有限元振动传播模型。
54.s5、获取建筑参数，根据建筑参数在有限元振动传播模型中建立有限元建筑结构模型。
55.s6、获取交通隧道载荷激励，并将交通隧道载荷激励输入到有限元振动传播模型中。
56.需要说明的是，交通隧道载荷激励包括：动力载荷激励和静力载荷激励。动力荷载激励由实测交通隧道荷载确定，均匀施加于隧道管片底部的节点上作为激励输入；静力荷载激励由建筑物结构总重以各桩基面积为权重进行平均，施加于各桩基桩顶。在一些可选的实施例中，动力载荷激励包括：公路隧道动力载荷激励和地铁隧道动力载荷激励。
57.s7、分别获取有限元振动传播模型和有限元建筑结构模型的振动数据，并根据振动数据进行振动分析。
58.可以理解的是，本实施例首先获取地层土体参数，根据地层土体参数建立地层结构模型，获取隧道参数，根据隧道参数在地层结构模型中建立隧道结构模型，获取桩基参数，根据桩基参数通过植入式梁单元在地层结构模型中建立桩基结构模型，根据地层结构模型、隧道结构模型和桩基结构模型，建立有限元振动传播模型，获取建筑参数，根据建筑参数在有限元振动传播模型中建立有限元建筑结构模型，获取交通隧道载荷激励，并将交通隧道载荷激励输入到有限元振动传播模型中，分别获取有限元振动传播模型和有限元建筑结构模型的振动数据，并根据振动数据进行振动分析。在本实施例中，根据具体的参数建立地层结构模型，并在地层结构模型中建立隧道结构模型和桩基结构模型，然后在地层结构模型中建立有限元建筑结构模型，完成有限元振动传播模型，最后获取交通隧道载荷激励，并输入到隧道结构模型中，进行振动分析，为临交通隧道的建筑结构振动在设计阶段、施工阶段的预先评估和优选减振措施提供有效振动评估技术手段，从而解决了目前缺少传播模型，无法对临交通隧道建筑进行结构分析的问题。
59.优选的，步骤s1，包括：
60.获取地层土体参数，并对地层土体参数进行简化处理；
61.根据简化处理后的地层土体参数，确定模型尺寸与网格尺寸；
62.根据模型尺寸、网格尺寸和简化处理后的地层土体参数，建立地层结构模型。
63.可以理解的是，交通隧道相关的地质剖面图中的地层土体组成得到适用于建立有限元模型的起伏地层，在保证有限元模型顺利建立的前提下尽可能还原真实地层分布是本方法的主要特征。对于待研究区域，保留相对集中且分布范围较大的地层，忽略离散且分布范围较小的强风化岩层，适当合并细砂、淤泥质黏土等地层，如图3所示，隧道与桩基最近距离记为s，隧道直径记为d，隧道埋深记为h。根据待研究的临交通隧道结构范围确定模型与网格尺寸，本实施例模型尺寸最终取x0×
y0×
z0，如图4所示。模型宽度y0＝(7.5～8.0)d；隧道上方土体边界取至地面；当隧道下层土体为微风化砂岩时，可视为固定边界，隧道下方土体边界深度取到z0＝(h+3d)～(h+3.5d)，即隧道底部管片至下方土体边界距离为δz＝(2
～2.5)d；沿隧道方向选取模型长度为x0≈10d。同时借助实际工程项目地层等本构参数有限元模型的本构参数。为保证分析速度与精度，所述有地层结构限元模型网格的划分均采用混合网格，由以六面体为主、五面体和四面体过度的网格所组成，保证分析速度与精度。划分网格前需要对各实体单元进行尺寸控制：隧道与桩基采用单元长度的方法进行尺寸控制，网格尺寸为d0；与隧道相近的地层分布线采用线性梯度方法进行尺寸控制，起始长度为2
×
d0，结束长度为d0，如图5所示。
64.优选的，步骤s5，包括：
65.获取建筑参数，并根据建筑参数建立yjk建筑模型；
66.通过midas接口将yjk建筑模型转换为midas gen建筑模型；
67.根据midas gen建筑模型，建立有限元建筑结构模型。
68.优选的，桩基参数包括：桩基材料参数和桩基结构参数。
69.优选的，隧道参数包括：隧道材料参数和隧道结构参数。
70.优选的，步骤s7，包括：
71.获取不同地层土体参数下有限元振动传播模型和有限元建筑结构模型的振动数据，并根据振动数据进行振动分析；
72.获取不同桩基结构参数下有限元振动传播模型和有限元建筑结构模型的振动数据，并根据振动数据进行振动分析；
73.获取不同隧道结构参数下有限元振动传播模型和有限元建筑结构模型的振动数据，并根据振动数据进行振动分析。
74.在具体的实践中，按桩基距离隧道远近，将临交通隧道建筑物的结构桩基划分为4排，当一排结构桩基与隧道边界的距离最近时定义此排桩基为第一排桩基，而当一排结构桩基与隧道的距离最远时定义此排桩基为第四排桩基，如图6所示。在有限元振动传播模型输入交通荷载完成动力计算后，根据桩基桩顶与桩底的节点号，输出每排桩基桩顶与桩底的x向振动加速度、y向振动加速度、z向振动加速度以及三向加速度矢量和，对比桩顶与桩底的三向与矢量和振动加速度响应，确定桩底或桩顶振动响应更显著的某方向振动加速度继续深入分析。分析第一排桩基至第四排桩基振动加速度响应平均值，研究随着与隧道距离的增大，桩基振动特性的变化规律。同时研究当桩基与隧道距离不变时，桩基振动特性随着平行隧道方向距离的增大，桩基振动特性的变化规律。基于建筑物各排结构桩基在桩底与桩顶的振动加速度，综合考虑桩基与隧道的相对位置、桩顶与桩底的面积大小、振动加速度时程峰值，在第一排桩基中根据振动加速度时程最大值选取典型桩基，并根据预先确定好的桩基各点位节点得到相应点位的振动加速度时程，以此根据频谱分析确定桩基振动频率。在振动加速度时程与振动频率的基础上，确定各桩基的振动加速度级。在此基础上，分别单独改变桩隧距、隧道埋深、隧道直径与地层土体时，明确单因素的改变对于桩基振动特性的影响。当桩隧距s＝s0、隧道埋深h＝h0、隧道直径d＝d0、地层土体t＝t0时，以建筑物的典型桩基为中心分别沿x向、y向与z向剖面，如图7-图9所示，给出振动加速度在沿平行隧道方向与沿垂直隧道方向的振动分布规律。在此基础上，分别单独改变桩隧距、隧道埋深、隧道直径与地层土体时，明确单因素的改变对于振动在隧道与土之间传播的影响。
75.在有限元模型结束计算后，针对建筑物，沿楼层高度从第一个标准层开始每隔1层提取楼板振动加速度云图共提取n
bi
层，从第一个屋面层开始提取楼板振动加速度云图共提
取n
wi
层，其中n
ni
与n
wi
均小于n
bbi
；
76.根据加速度云图选取楼板得到振动响应最大节点，参考结构有限元模型所对应的建筑图纸分别在标准层与屋面层选择相应节点。在楼层高度较低、中间、较高处选取三层楼板，由于临交通隧道建筑物标准层楼板以双向板为主，根据标准层短边跨度选取9个不同楼板跨度的楼板分析不同跨度楼板振动特性。定义时程结果函数，根据确定的节点在结果文件中提取时程图表，即为标准层与屋面层最不利加速度响应，振动响应更大者代表本层楼板振动加速度。
77.确定选取的各层楼板振动加速度最大值，通过绘制各层楼板振动加速度最大值与层数的关系图，得到建筑物楼板振动加速度与楼层高度与楼板跨度的变化规律。
78.改变桩隧距、隧道埋深、隧道直径与地层土体等参数，根据得到相应工况下建筑物部分楼层楼板振动加速度时程，根据振动加速度数据进行功率谱分析，按1/3倍频程的频率范围对功率谱域进行划分，在1hz到80hz形成20个频段。最后将每个频段内所有的功率谱密度相加并归一化，得到各层楼板不同中心频率下的分频加速度振级。
79.借助振动加速度最大值与分频振动加速度级，研究不同桩隧距、不同隧道埋深、不同隧道直径与不同地层土体对于结构沿楼层高度与楼层平面内振动加速度分布与传播规律的影响。
80.因此针对临交通隧道结构，分别计算分析桩基振动特性、振动在隧道与土体中振动传播规律、不同跨度楼板振动特性，揭示交通隧道车致振动对于临交通隧道结构振动特性的影响。
81.本发明还提供了一种临交通隧道建筑结构振动分析设备，用于实现上述方法实施例。图2是本发明一种临交通隧道建筑结构振动分析设备一种实施例提供的结构示意图。如图2所示，本实施例的设备包括处理器21和存储器22，处理器21与存储器22相连。其中，处理器21用于调用并执行所述存储器22中存储的程序；存储器22用于存储所述程序，所述程序至少用于执行以上实施例中的临交通隧道建筑结构振动分析方法。
82.本技术实施例提供的临交通隧道建筑结构振动分析设备的具体实施方案可以参考以上任意实施例的临交通隧道建筑结构振动分析方法的实施方式，此处不再赘述。
83.可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
84.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
85.流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
86.应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下
列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
87.本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
88.此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
89.上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
90.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
91.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种临交通隧道建筑结构振动分析方法，其特征在于，包括：获取地层土体参数，根据所述地层土体参数建立地层结构模型；获取隧道参数，根据所述隧道参数在所述地层结构模型中建立隧道结构模型；获取桩基参数，根据所述桩基参数通过植入式梁单元在所述地层结构模型中建立桩基结构模型；根据所述地层结构模型、所述隧道结构模型和所述桩基结构模型，建立有限元振动传播模型；获取建筑参数，根据所述建筑参数在所述有限元振动传播模型中建立有限元建筑结构模型；获取交通隧道载荷激励，并将所述交通隧道载荷激励输入到所述有限元振动传播模型中；分别获取所述有限元振动传播模型和所述有限元建筑结构模型的振动数据，并根据所述振动数据进行振动分析。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取地层土体参数，根据所述地层土体参数建立地层结构模型，包括：获取地层土体参数，并对所述地层土体参数进行简化处理；根据简化处理后的所述地层土体参数，确定模型尺寸与网格尺寸；根据所述模型尺寸、所述网格尺寸和简化处理后的所述地层土体参数，建立地层结构模型。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取建筑参数，根据所述建筑参数在所述有限元振动传播模型中建立有限元建筑结构模型，包括：获取建筑参数，并根据所述建筑参数建立yjk建筑模型；通过midas接口将所述yjk建筑模型转换为midas gen建筑模型；根据所述midas gen建筑模型，建立有限元建筑结构模型。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述交通隧道载荷激励包括：动力载荷激励和静力载荷激励。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述动力载荷激励包括：公路隧道动力载荷激励和地铁隧道动力载荷激励。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述桩基参数包括：桩基材料参数和桩基结构参数。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述隧道参数包括：隧道材料参数和隧道结构参数。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述分别获取所述有限元振动传播模型和所述有限元建筑结构模型的振动数据，并根据所述振动数据进行振动分析，包括：获取不同地层土体参数下所述有限元振动传播模型和所述有限元建筑结构模型的振动数据，并根据所述振动数据进行振动分析；获取不同桩基结构参数下所述有限元振动传播模型和所述有限元建筑结构模型的振动数据，并根据所述振动数据进行振动分析；获取不同隧道结构参数下所述有限元振动传播模型和所述有限元建筑结构模型的振
动数据，并根据所述振动数据进行振动分析。9.一种临交通隧道建筑结构振动分析设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述处理器与存储器相连：其中，所述处理器，用于调用并执行所述存储器中存储的程序；所述存储器，用于存储所述程序，所述程序至少用于执行权利要求1-8任一项所述的临交通隧道建筑结构振动分析方法。

技术总结
本发明涉及土木工程技术领域，具体涉及一种临交通隧道建筑结构振动分析方法和设备，其中，所述方法根据具体的参数建立地层结构模型，并在地层结构模型中建立隧道结构模型和桩基结构模型，然后在地层结构模型中建立有限元建筑结构模型，完成有限元振动传播模型，最后获取交通隧道载荷激励，并输入到隧道结构模型中，进行振动分析，为临交通隧道的建筑结构振动在设计阶段、施工阶段的预先评估和优选减振措施提供有效振动评估技术手段。措施提供有效振动评估技术手段。措施提供有效振动评估技术手段。


技术研发人员：卢伟 滕军 张万鹏 胡卫华
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）（哈尔滨工业大学深圳科技创新研究院）
技术研发日：2023.08.07
技术公布日：2023/10/15