减低交通荷载引起地面振动的数值模拟

摘要

高速铁路和高等级公路是国家重要的基础设施，大力开展交通建设能有效促进国民经济发展，但高速列车及重型卡车的运行会产生振动波，通过土介质传播到周围的工业区和居民区，可能导致一些精密仪器故障、人类感觉不舒适以至于建筑物的破坏。在邻近振源附近设置合理的防护层是防止或减轻这种灾害的重要措施，因此，对于防护结构的材料、布局以及尺寸的研究具有现实指导意义。
　　 现在使用数值模拟方法进行地表列车动力荷载防护的研究并不多，在已有少量文献中对于土介质的模拟多采用理想的弹性模型。本文运用LS-DYNA软件，选用更适合岩土介质的弹塑性模型，对高速列车等交通荷载作用下地面振动及连续墙挡板的防护能力进行三维数值分析，并与现场测试结果进行比较；进一步研究了防护层材料以及防护结构尺寸对于减振效果的影响。其主要研究工作如下：
　　 首先，建立三维几何模型，分别采用弹性材料模型和弹塑性模型，计算了某现场试验，验证了模型设计的合理性。其次，对比研究了无填充壕沟、注水壕沟、不同密度的泡沫填充壕沟以及混凝土桩填充壕沟防护时，地面在高速列车荷载作用下所产生的动力响应。再次，研究了不同列车运行速度产生的地面振动特性，以及在混凝土桩填充壕沟防护下，挡板尺寸对于防护效果及防护范围的影响。结果发现：
　　 ①列车运行附近振动较强烈，随着距振源距离的增大，振动明显减弱。在距轨道25m距离内振级较高，应采取有效的隔振减振措施。
　　 ②列车运行速度越大，由此产生的振动荷载也随之增大，引发的地面振动效应也增大。而列车运行速度较小时，振级随着距振源距离衰减速度更快。
　　 ③无填充壕沟防护层减振效果明显，但在多雨地带易转变成注水壕沟，防护能力有所下降，仍可以有效减低地面的振动效应。EPS泡沫填充壕沟属于质地较软的材料，防护效果较好。密度越小，防护效果越好。质地较硬的材料如混凝土桩填充材料有一定的防护效果，但相比质地较软的材料防护效果较差。
　　 ④挡板长度和深度直接影响混凝土减振挡板的防护效果和防护范围，与振动波波长有关，增加减振挡板长度和深度对于一倍波长内的区域的防护效果没有影响，对于一倍波长外的区域，挡板长度每增加0.4倍波长，振级减少量增加4dB；挡板深度每增加0.4倍波长，振级减少量增加6dB，挡板深度对防护效果的影响更为明显，挡板宽度的尺寸主要影响防护范围。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1交通荷载的研究背景与意义

1.2高速列车产生的振动荷载

1.3应力波在土介质中的传播

1.4有限元法

1.5振动防护技术

1.5.1设计思想

1.5.2关于高速重型列车引起的振动荷载的防护

1.6关于交通荷载及其防护的国内外研究概括

1.6.1交通振动荷载的理论研究

1.6.2列车振动荷载的现场测试研究

1.6.3列车振动荷载防护的理论研究

1.7本文的研究目的和主要内容

1.7.1本文的研究意义与目的

1.7.2论文的研究内容

2 LS-DYNA数值方法与交通荷载模型

2.1结构动力学问题有限元法

2.1.1动力学研究方向与应用简介

2.1.2运动方程

2.2 LS-DYNA数值模拟概述

2.2.1发展概况

2.2.2功能特点与应用范围

2.3流固耦合理论基础

2.3.1基本控制方程

2.3.2单点高斯积分与沙漏控制

2.3.3时间积分

2.4列车荷载模型

3交通荷载作用下地面振动的数值分析

3.1研究问题

3.2基本假设

3.3数值模型建立与单元选择

3.3.1几何模型的建立与单元的选择

3.4材料模型与计算参数

3.4.1土体弹塑性模型和基本参数

3.4.2土体线弹模型参数

3.4.3混凝土挡板的材料模型和计算参数

3.4.4混凝土基垫

3.4.5空气和水的材料模型和基本参数

3.4.6泡沫的材料模型和基本参数

3.5数值模型验证

3.6振动荷载作用下不同防护材料效果比较

3.6.1无填充壕沟的防护效果

3.6.2注水壕沟的防护效果

3.6.3 EPS挡板的防护效果

3.6.4 PC桩填充壕沟的防护效果

3.7沿轨道方向的防护效果比较

3.8本章小结

4不同列车运行速度下混凝土填充沟隔振分析

4.1引言

4.2有限元模型

4.2.1列车运行振动荷载的模拟

4.3计算结果与分析

4.3.1列车车速对于地面振动的影响

4.3.2挡板宽度L变化效应

4.3.3挡板深度D变化效应

4.4防护范围分析

4.5本章小结

5结论与展望

5.1结论

5.2展望

致谢

参考文献

附录 作者在攻读学位期间发表的论文目录