Продолжаем знакомить наших читателей с использованием программной продукции южнокорейской компании MIDAS IT, основанной в 2000 году в Сеуле. Программы, разработанные в этой компании, используются в 136 странах мира для моделирования, комплексного проектирования и анализа в области транспортного, геотехнического, промышленного и гражданского строительства и обеспечивают безопасность, эффективность и конкурентоспособность инженерных проектов. В том числе с помощью продуктов MIDAS IT был спроектирован знаменитый небоскреб Бурдж Халифа в Дубае ОАЭ и прекрасный трехкилометровый вантовый мост Русский в российском Владивостоке. В 2013 году было открыто российское представительство этой компании – ООО «МИДАС» (midasoft.ru/; geoinfo.ru/brand/midas-it/). На территории РФ сейчас представлено три конечноэлементных расчетных комплекса MIDAS IT, адаптированных для соответствия требованиям российских нормативных документов, – midas GTS NX, midas Civil и midas FEA NX. Программа midas GTS NX предназначена для комплексных геотехнических расчетов, моделирования и анализа поведения грунтов и их взаимодействий с инженерными конструкциями.
Сегодня представляем адаптированный и немного сокращенный перевод статьи «Динамическое воздействие вибраций, вызванных работой метро, на уплотненное грунтовое основание Колокольной башни», которая была опубликована в 2016 году на английском языке в журнале SpringerPlus и находится в открытом доступе (онлайн). Авторами указанной статьи являются специалисты из Чанъаньского университета (г. Сиань, Китай) и Шицзячжуанского университета Тедао (г. Шицзячжуан, Китай) – Цзиньсин Лай, Фанъюань Ню, Кэ Ван, Цзяньсюнь Чэнь, Цзюньлин Цю, Хаобо Фань и Чжинань Ху. Ссылка на эту работу приведена в конце перевода.
Колокольная башня в городе Сиань провинции Шаньси является средневековым архитектурным памятником Китая, охраняемым государством. Вибрации, вызванные работой метро, могут оказать на нее негативное влияние. В статье рассказывается о трехмерном конечноэлементном моделировании для прогнозирования пиковой скорости колебаний (peak period velocity, PPV) в уплотненном грунтовом основании и цоколе башни, когда под ними проходят поезда метро. Численные прогнозы показали значительное влияние мер по демпфированию вибраций путей под идущими поездами, которые, очевидно, могут и на практике снизить скорости колебаний грунтового основания и самой башни. При этом максимальное снижение PPV ее цоколя может достигнуть 78,91%. Интересно, что результаты расчетов в модели и данные полевых испытаний (пока не таких расширенных, как исследование моделей) оказались в хорошем соответствии друг с другом.
Предложенный вид прогноза может использоваться в качестве инструмента принятия решений и управления для оценки рисков, связанных с влиянием вибраций от работы метро на здания и сооружения в городских районах.
Будучи одной из четырех наиболее древних столиц в мире, Сиань успел побывать столицей тринадцати династий в истории Китая. Достопримечательность этого города Колокольная башня является ценным архитектурным памятником. Её история насчитывает более 600 лет, но в течение такого долгого времени её прочность постепенно ослабевала. К тому же сейчас в Сиане наблюдается бум строительства метро, что неизбежно вызовет вибрации этой башни, даже малейшие из которых постепенно могут привести к ее усталостному разрушению.
В 1970–1990-х годах некоторые исследователи анализировали закономерности деформирования и разрушения древних зданий и сооружений под воздействием вибраций в соответствии с полевыми испытаниями (Mata, 1971; Rueker, 1982; Ellis, 1987; Clemente, Rinaldis, 1998). В то же время некоторые европейские и американские специалисты проводили исследования по защите архитектурных памятников от вибраций, вызванных движением транспорта (Lang, 1971; Dawn, Stanworth, 1979; Kurzweil, 1979). Позже использовались и такие более новые методы, как создание искусственных нейронных сетей и численное моделирование для изучения вибраций зданий и сооружений при сейсмических воздействиях (Degrande, De Roeck, 1998; Degrande, Lombaert, 2001; Lombaert et al., 2006; Real et al., 2015; Real, 2014; Lai et al., 2014, 2015a, 2016b; Ye et al. 2014; Li et al., 2013; Han, Jia, 2015; Han et al., 2014).
В последние годы некоторые ученые исследовали структурные и механические характеристики зданий и сооружений под действием энергии вибраций. Например, доктор Цзя Инсюнь и его коллеги изучали влияние вибраций на архитектурные памятники со стороны линий пекинского метро № 6 и № 8 (Luo et al., 2015; Yu, Fang, 2006; Jia et al., 2009; Xie, 2008). Их результаты показали, что динамические реакции конструкций древнего здания, вызванные вибрациями от прохождения поезда метро, менялись в зависимости от горизонтального и вертикального расстояний.
Чтобы лучше понять такие воздействия и найти пути сохранения архитектурных памятников в соответствующих условиях, были проведены измерения вибраций на перевале Ханьгу рядом с железнодорожной линией Лунхай в китайском городском округе Лоян (Ye et al., 2015) и последующий анализ полученных данных методом конечных элементов. Результаты показали, что от вибраций окружающей среды древний памятник может защитить, например, изолирующая траншея.
Другой пример. Чтобы обеспечить безопасность и устойчивость тоннеля метро при взрывных работах для сноса путепровода, Чжао и др. (Zhao et al., 2015) предложили композитные защитные конструкции из металла и резины и выполнили проверочный расчет безопасности тоннеля метро на основе этих защитных мер с помощью численного моделирования, после чего система композитной защиты была дополнительно оптимизирована.
Авторами данной статьи было изучено влияние вибраций от работы метро на уплотненное грунтовое основание и цоколь Колокольной башни Сианя, что может быть ценным опытом для охраны подобных культурных реликвий. Чтобы оценить устойчивость башни, сначала были проведены полевые изыскания в целях получения инженерных характеристик ее грунтового основания и цоколя и построения соответствующей конечноэлементной модели. Кроме того, было рассмотрено множество стандартов вибрационной безопасности зданий и найдены наиболее подходящие из них для Колокольной башни. Авторы создали трехмерные конечноэлементные модели для имитации эксплуатационного режима при наличии или отсутствии амортизации путей метро и при различных скоростях поездов. И наконец, результаты расчетов были сопоставлены с данными полевых испытаний для проверки правильности итогов выполненного исследования.
Колокольная башня, символ Сианя (рис. 1), была построена во времена династии Мин (в 1384 году. – Ред.) и представляла собой классическую китайскую постройку из кирпича и дерева. (Сначала ее возвели, чтобы изгнать мифического подземного змея, который якобы вызывал частые землетрясения в Сиане, но потом землетрясения надолго прекратились и здание стало выполнять новую функцию. В башне повесили большой колокол, который каждое утро возвещал о начале трудового дня, откуда в итоге и пошло ее название. В 1582 году ее разобрали и вновь собрали на заново построенном фундаменте в новом центре выросшего города, а в 1739 году реконструировали. Башня имеет высоту 36 м и опирается на квадратный цоколь из зеленого кирпича площадью 1377 м2 и высотой 8,6 м. Выше она имеет три деревянных яруса с темно-зелеными черепичными крышами, углы которых приподняты кверху. Интересно, что при ее строительстве использовались не гвозди, а только пазы и выступы на самих конструкциях. Внутри здание имеет спиралевидную лестницу и украшено традиционными узорами эпох Цин и Мин. Сегодня в Колокольной башне находится музей восковых фигур императоров династий Цинь, Хань и Тан и музей музыкальных инструментов, а также представлена антикварная мебель Цинской эпохи. Вечером она ярко подсвечивается снаружи (ru.wikipedia.org/wiki/Колокольная_башня; advantour.com/rus/china/xian/bell-tower.htm). – Ред.)
Рис. 1. Колокольная башня Сианя
Корпус башни опирается на 4 центральные и 12 периферических несущих колонн, соединяющихся балками (Meng, 2009). За долгую историю ее неоднократно ремонтировали, но все-таки она приобрела достаточно много повреждений, которые были выявлены при оценочных работах в 2008 году (рис. 2, 3). Также были выполнены специальные инженерно-геологические изыскания, некоторые результаты которых показаны на рисунке 4 (Chen, 2008).
Рис. 2. Одна из трещин, обнаруженных внутри Колокольной башни
Рис. 3. Один из расслоившихся кирпичей, обнаруженных в цоколе Колокольной башни
Рис. 4. Схематичный вертикальный разрез Колокольной башни и ее основания. Двойными окружностями показаны тоннели метро. Размеры указаны в метрах
В разных странах, включая Америку, Великобританию, Германию, Японию, Португалию, Швейцарию и Китай, существуют свои стандарты вибрационной безопасности (таблица 1). Эти стандарты сильно различаются для разных сред и конструкций. Однако физическими параметрами, используемыми для анализа воздействия вибраций на здания и сооружения, всегда являются скорость и частота колебаний, которые напрямую связаны со степенью повреждения конструкций и играют в этом решающую роль. В документе «План города Сиань по защите культурных реликвий в ситуации, когда линия метро № 2 проходит под Колокольной башней и Городской стеной», составленном Национальным управлением по культурному наследию Китая, было предложено установить допустимую пиковую скорость колебаний (peak period velocity, PPV) Колокольной башни и Городской стены, вызванную вибрациями от работы метро, в пределах 0,15–0,20 мм/с, что и было принято (Ma et al., 2016).
Таблица 1. Ориентировочные значения оценочного параметра вибраций, вызывающие повреждения зданий и сооружений, по стандартам разных стран
Рис. 5. Сетка конечных элементов модели (размеры указаны в метрах) (а) и расположение тоннелей метро относительно Колокольной башни (б)
Таблица 3. Параметры грунтов основания Колокольной башни для численной модели
Рис. 6. Схема двух вагонов поезда метро Сианя с указанием расстояний между осями колесных пар (см)
Рис. 7. Динамические нагрузки от поезда, движущегося со скоростью 80 км/ч (по результатам работы в программе midas GTS NX
Численные результаты
Для исследования влияния вибраций от движения поездов метро на Колокольную башню было проведено численное моделирование в целях выявления:
1) распределений величин пиковой скорости колебаний (PPV) в уплотненном грунтовом основании и цоколе башни;
2) закономерностей для PPV при различных условиях;
3) влияния амортизирующих (демпфирующих) путей.
Пиковые скорости колебаний
Пиковые скорости колебаний (PPV) уплотненного грунтового основания и цоколя Колокольной башни для каждого из принятых наборов условий (см. таблицу 2) показаны на рисунках 8–13. Чтобы облегчить анализ, авторы выбрали четыре верхних угла цоколя, точнее угловые точки A, B, C и D. Из рисунков 8–13 видно, что значения PPV в этих точках при каждом наборе условий меняются с изменением скорости поездов. Для наборов условий 1 и 4, когда движется сразу 4 поезда (см. таблицу 2), величина PPV максимальна в точке D при скорости поездов 20 км/ч, в точке C – при скорости поездов 60 км/ч, и опять в точке D – при скорости 80 км/ч. Но при скорости 40 км/ч значение PPV максимально в точке C для набора условий 1 и в точке D для набора условий 4. Для остальных четырех наборов условий (см. таблицу 2) закономерности похожи.
Рис. 8. Распределение PPV в уплотненном грунтовом основании и цоколе Колокольной башни для набора условий 1 (см. таблицу 2) при скоростях движения поездов: 20 км/ч (а), 40 км/ч (б), 60 км/ч (в) и 80 км/ч (г)
Рис. 9. Распределение PPV в уплотненном грунтовом основании и цоколе Колокольной башни для набора условий 2 (см. таблицу 2) при скоростях движения поездов: 20 км/ч (а), 40 км/ч (б), 60 км/ч (в) и 80 км/ч (г)
Рис. 10. Распределение PPV в уплотненном грунтовом основании и цоколе Колокольной башни для набора условий 3 (см. таблицу 2) при скоростях движения поездов: 20 км/ч (а), 40 км/ч (б), 60 км/ч (в) и 80 км/ч (г)
Рис. 11. Распределение PPV в уплотненном грунтовом основании и цоколе Колокольной башни для набора условий 4 (см. таблицу 2) при скоростях движения поездов: 20 км/ч (а), 40 км/ч (б), 60 км/ч (в) и 80 км/ч (г)
Рис. 12. Распределение PPV в уплотненном грунтовом основании и цоколе Колокольной башни для набора условий 5 (см. таблицу 2) при скоростях движения поездов: 20 км/ч (а), 40 км/ч (б), 60 км/ч (в) и 80 км/ч (г)
Рис. 12. Распределение PPV в уплотненном грунтовом основании и цоколе Колокольной башни для набора условий 6 (см. таблицу 2) при скоростях движения поездов: 20 км/ч (а), 40 км/ч (б), 60 км/ч (в) и 80 км/ч (г)
В целом полученные результаты показали, что PPV при движении четырех поездов больше, чем при движении двух поездов (таблица 5), и места с максимальными PPV в основном совпадают при совпадении количества поездов и скоростей их движения. Более того, максимальные величины PPV для наборов условий 1–3 (см. таблицу 2) превышали допустимые по нормативам, а для наборов условий 4–6 они соответствовали требованиям стандартов (таблица 6).
Таблица 5. Максимальные значения PPV (из четырех угловых точек цоколя башни) для шести наборов условий при разной скорости поездов
Рис. 14. Зависимости PPV в четырех выбранных угловых точках цоколя (A, B, C, D) от скорости движения поездов для набора условий 1 (см. таблицу 2)
Рис. 15. Зависимости PPV в четырех выбранных угловых точках цоколя (A, B, C, D) от скорости движения поездов для набора условий 2 (см. таблицу 2)
Рис. 16. Зависимости PPV в четырех выбранных угловых точках цоколя (A, B, C, D) от скорости движения поездов для набора условий 3 (см. таблицу 2)
Рис. 17. Зависимости PPV в четырех выбранных угловых точках цоколя (A, B, C, D) от скорости движения поездов для набора условий 4 (см. таблицу 2)
Рис. 18. Зависимости PPV в четырех выбранных угловых точках цоколя (A, B, C, D) от скорости движения поездов для набора условий 5 (см. таблицу 2)
Рис. 19. Зависимости PPV в четырех выбранных угловых точках цоколя (A, B, C, D) от скорости движения поездов для набора условий 6 (см. таблицу 2)
2. При отсутствии амортизирующих путей (для наборов условий 1–3, см. таблицу 2) значения PPV превышали допустимые по нормативам, а при наличии амортизирующих путей (для наборов условий 4–6, см. таблицу 2) величины PPV были меньше допустимых. Это свидетельствовало о том, что скорость вибраций цоколя была связана с категорией путей.
3. Сопоставление данных для наборов условий 1 и 2, 1 и 3, 4 и 5, 4 и 6 (см. таблицу 2) показало, что значения PPV в четырех выбранных угловых точках цоколя (A, B, C, D) при одновременном движении четырех поездов были больше, чем при движении двух. Это свидетельствовало об увеличении скорости вибраций цоколя с увеличением количества поездов.
4. Сравнение результатов для наборов условий 2 и 3, 5 и 6 (рис. 15 и 16, рис. 18 и 19) показало, что если два поезда одновременно проходили под башней по разным маршрутам, то закономерности распределения PPV были разными. Это указывало на связь скорости вибраций цоколя с режимом движения поездов.
Влияние мер по амортизации (демпфированию)
Сопоставление величин PPV при отсутствии (для наборов условий 1–3, см. таблицу 2) и при наличии (для наборов условий 4–6, см. таблицу 2) амортизирующих путей при прочих равных условиях представлено в таблицах 7–9. Видно, что при наличии демпфирующих путей значения PPV во всех выбранных угловых точках цоколя (A, B, C, D) существенно ниже.
Таблица 7. Сопоставление PPV (мм/с) для наборов условий 1 (без амортизации) и 4 (с амортизацией)
Рис. 20. Полевой мониторинг: a – схема цоколя Колокольной башни с указанием точек измерений; Б – фотография точки измерений A (Ma et al., 2016)
Полученные при реальном мониторинге значения PPV в четырех угловых точках цоколя башни при наборе условий 5 (см. таблицу 2) соответствовали рассчитанным при численном моделировании (таблица 10). Это говорит о том, что модель, разработанная при данном исследовании, может количественно отражать фактические реакции Колокольной башни на вибрационные воздействия.
Чтобы исследовать воздействие вибраций на архитектурные памятники, в этой статье были обобщены сведения о нормативно допустимых параметрах такого влияния.
В качестве основной характеристики реакций цоколя и уплотненного грунтового основания Колокольной башни Сианя на вибрационные воздействия была выбрана пиковая скорость колебаний (PPV). Был выполнен численный анализ распределения PPV с использованием программы midas GTS NX для шести наборов условий (см. таблицу 2), а также проведен частичный полевой мониторинг. Полученные результаты показали следующее.
1. Пиковая скорость колебаний уплотненного грунтового основания и цоколя Колокольной башни неравномерно увеличивается с ростом скорости проходящих ниже поездов метро. Она связана с количеством поездов, категорией пути и режимом движения поездов.
2. Если при моделировании используются обычные пути без амортизации, то значения PPV уплотненного грунтового основания и цоколя башни выходят за рамки стандартов безопасности, что потенциально может привести к серьезным повреждениям этого архитектурного памятника. Но при использовании демпфирующих путей величины PPV значительно снижаются и становятся не выше допустимых. При этом максимальное уменьшение достигает 78,91%. В целом было спрогнозировано, что реальное применение амортизирующих путей может в значительной степени ослабить влияние вибраций на Колокольную башню.
3. После проверки результатов конечноэлементного моделирования в программе midas GTS NX с помощью частичного полевого мониторинга было обнаружено, что построенная модель вполне может количественно отражать реальные отклики Колокольной башни на вибрационные воздействия.
В следующем исследовании авторы собираются изучить осадки уплотненного грунтового основания и кирпичного цоколя Колокольной башни, а также PPV ее верхних деревянных конструкций при вибрациях от проходящих под ней поездов метро.
—
Данная работа была выполнена при финансовой поддержке Специального фонда фундаментальных научных исследований основных факультетов и колледжей Чанъаньского университета (грант № 310821165011), Комплексного инновационного проекта Управления наук и технологий провинции Шаньси (грант № 2015KTZDGY01-05-02) и проекта Brainstorm («Мозговой штурм») по социальному развитию Управления наук и технологий провинции Шаньси (грант № 2016SF-412) (Китай).
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Оформить подписку