高架路交通诱发振动与建筑物减振控制方法研究

摘要

快速发展的城市高架路交通在有效地缓解了人们出行压力的同时，其诱发的环境振动问题也日趋严重。环境振动不仅影响人们的日常工作和生活，而且对建筑物的安全等方面也造成一定的影响。本研究对国内典型高架路交通及其沿线建筑物环境振动进行了大量实现场测，并系统地进行了分析；在此基础上，结合国内外有关研究成果，从高架路交通的振源问题入手，系统地研究了车辆-桥梁耦合系统的振动特点、传播与衰减规律以及沿线建筑物的振动反应规律；针对建筑物的环境振动问题，发明了相应的竖向减隔振装置，并对之进行了试验研究、理论分析和数值模拟。 1．高架路交通振动的实测研究。对北京、广州、深圳等城市的多处典型路段及建筑物的环境振动进行了大量的现场实测及其传播和衰减规律分析，掌握了高架路交通振动的主要振源特点，振动传播特性及建筑物的反应特征；在分析实测数据的基础上，提出了阶差振动是影响高架路交通振动的重要因素和复杂高架交通是影响建筑物振动的主要因素的观点；结合现场实测，提出了数据处理和现场实测中如何去除本底振动和判断是否需要考虑本底振动的方法。 2．路面不平度的实测和数值模拟。对北京城区主要环路进行了大量现场实测和分析，提出了一种通过国际平整度指数(IRI)推导路面不平度的方法，为车一桥动力学研究提供了获得理想路面不平度的又一途径，并得到了市内主要高架路段的路面等级为A级的评定结果。 3．车-桥耦合系统的竖向振动研究。建立了2轴、3轴和4轴车的1/2车模型，并针对两端弹性支撑(考虑支座和桥墩及地基土的柔性)简支梁进行了竖向耦合振动分析；对二种典型的阶差(伸缩缝、减速振动标志)振动的研究表明，对于A级路面，阶差对环境振动的影响大于路面不平度的影响。 4．环境振动传播过程中地表振动异常区的研究。通过大量的数值模拟，探讨了不同地表及地下构造对振动传播的影响，基本上明确了城市区域内存在环境振动异常区，即在该区域内会出现振动局部放大的机理，并得到了随着地面硬化程度增大地表振动趋于增强和扩展基础比桩基础引起的地面振动强的结论。 5．建筑物环境振动的数值模拟。分析了不同层数的框架和短肢剪力墙结构振动过程中结构特性与环境振动频谱特征的内在联系，结果表明，结构的竖向振动基本上是以其竖向基频成分为主，而水平振动则需要考虑结构的前几阶频率与环境振动卓越频率之间的关系。 6．新型竖向减隔振装置研究及其工程应用模拟。根据建筑物环境振动以竖向振动为主的特点，发明了两种不同构造的碟簧—铅剪切阻尼器竖向减隔振装置。这两种装置构造简单，尺寸较小且刚度和阻尼都易于调整。数值模拟和试验研究表明，两种装置的滞回曲线形状饱满，耗能性能良好。将其与水平隔震支座组合形成三维隔振(震)支座，探讨了竖向减隔振装置在环境振动和地震动作用下的隔振(震)效果。研究表明，竖向减隔振支座对竖向环境振动有很好的隔振效果，对地震动也有一定的隔震效果。 7．颗粒阻尼技术的初步探索。提出了建筑物应用颗粒阻尼的减振控制方案(包括颗粒阻尼材料的选择及其在建筑物内可能的安装位置的确定等)，并通过振动台试验，对颗粒阻尼技术的振动控制效果和机理进行了初步地探索。研究结果表明，颗粒阻尼技术对建筑物的地震反应具有良好的抑制效果，但对环境振动反应的减振效果不明显。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪 论

1.1 引言

1.2高架交通引发环境振动的危害

1.2.1振动对人的影响

1.2.2对建筑物本身安全的影响

1.2.3对敏感设备的影响

1.2.4对特殊使用功能建筑的影响

1.3 各国应对环境振动的措施及规范

1.4国内外研究现状

1.4.1振源问题

1.4.2振动在场地上的传播规律

1.4.3振动在建筑物中的传播

1.4.4交通环境减隔振方法

1.5本文的主要研究内容

第2章 高架路环境测试与分析

引言

2.1 测试仪器及物理量

2.2环境振动评价标准

2.2.1振动评价标准

2.2.2控制指标的计算

2.3 考虑去除本底振动的方法

2.3.1 幅值修正法(简称方法一)

2.3.2振动加速度级修正法(简称方法二)

2.3.3分析方法的有效性评价及修正原则

2.4高架路环境振动实测与分析

2.4.1高架路振源竖向振动实测与分析

2.4.2高架路场地传播实测与分析

2.4.3高架路沿线建筑物振动实测与分析

2.5本章小结

第3章 车辆—高架桥梁振动分析

引言

3.1 车—桥耦合系统分析模型

3.1.1桥梁模型的建立

3.1.2车辆模型的简化

3.2路面不平度的获得

3.2.1 路面不平顺的特点及表示方法

3.2.2路面不平度高程的现场实测

3.2.3 由国际平整度指数(IRI)推导路面不平顺高程算法

3.3考虑梁端弹性支撑的分析方法

3.4.车—桥耦合振动计算方法

3.4.1 1/4车—桥耦合振动

3.4.2 1/2车—桥耦合振动分析

3.5不同模型数值计算

3.5.1桥梁和车辆参数选取

3.5.2计算结果

3.6本章小节

第4章 阶差引起车—桥耦合竖向振动分析

引言

4.1伸缩缝阶差

4.1.1伸缩缝阶差振动实测

4.1.2伸缩缝阶差振动分析

4.2减速振动标志阶差

4.2.1减速振动标志的布置形式

4.2.2考虑减速振动标志的计算

4.3 本章小结

第5章 高架路交通引发场地振动的传播和衰减

引言

5.1分析方法及模型建立

5.1.1结构模型

5.1.2边界条件的选取

5.1.3土的模型

5.1.4分析单元的选取

5.2地面硬化条件对振动传播的影响

5.3不同基础类型条件对振动传播的影响

5.3.1 模型建立

5.3.2扩展基础和桩基础分析结果比较

5.3.3不同承台宽度对振动传播的影响

5.3.4不同桩长对振动传播的影响

5.3.5分析结果探讨

5.4振动异常区形成原因初探

5.4.1 半包围场地的振动实测及分析

5.4.2开阔场地的实测和分析

5.4.3临河场地振动实测及分析

5.4.4多种可能诱发振动异常的场地模拟

5.5本章小结

第6章 复杂高架路交通下建筑物的振动

引言

6.1建筑物的选取

6.2输入振动波的频谱特性

6.3不同楼层高度的框架结构振动模拟和分析

6.3.1 结构的自振特性

6.3.2竖向振动特点

6.3.3水平向振动特点

6.3.4框架结构分析结论

6.4不同层数剪力墙结构振动模拟和分析

6.4.1 结构的自振特性

6.4.2竖向振动特点

6.4.3水平向振动特点

6.4.4剪力墙结构分析结论

6.5本章小结

第7章 新型碟簧-铅剪切减隔振装置的数值模拟

引言

7.1 新型铅剪切阻尼器

7.1.1铅的特点

7.1.2铅剪切阻尼器恢复力模型

7.1.3 圆筒型铅剪切阻尼器

7.1.4平板式铅剪切阻尼器

7.2碟形弹簧

7.2.1碟形弹簧的特点

7.2.2碟形弹簧的计算

7.3碟簧-铅剪切减隔振装置

7.3.1 碟簧-圆筒铅剪切装置

7.3.2碟簧-平板式铅剪切装置

7.4碟簧-铅剪切减隔振装置的数值模拟

7.4.1 DLD-DB

7.4.2 PLD-DB

7.5本章小结

第8章 新型碟簧-铅剪切减隔振装置的试验分析

引言

8.1 DLD-DB试验结果及分析

8.1.1竖向承载力试验结果

8.1.2竖向刚度试验结果

8.1.3等效阻尼比和等效刚度试验结果

8.2 PLD-DB试验结果及分析

8.2.1 未灌铅的竖向承载力及刚度试验结果

8.2.2预压灌铅后的承载力及刚度试验结果

8.2.3等效刚度和等效阻尼比的分析结果

8.3减隔振装置的恢复力模型

8.4本章小结

第9章竖向减隔振装置隔振效果分析

引言

9.1 三维隔振(震)装置的刚度计算

9.2分析模型

9.3三维隔振(震)装置

9.3.1水平支座

9.3.2竖向支座

9.3.3 隔振(震)装置的布置

9.4隔振(震)前后体系的模态分析

9.5环境振动隔振效果分析

9.5.1三维支座竖向隔振效果

9.5.2三维支座水平隔振效果

9.5.3纯水平隔振支座的环境振动隔离效果

9.5.4环境振动隔离效果小结

9.6三维隔振装置的隔离地震效果

9.6.1 竖向地震作用隔离效果

9.6.2水平地震作用隔离效果

9.7本章小结

第10章 NOPD技术在建筑物振动控制中的应用初探

引言

10.1 NOPD在建筑物中应用位置和颗粒阻尼材料

10.1.1建筑物内安装位置

10.1.2拟采用的颗粒阻尼材料

10.2简谐波激励下的NOPD减振试验

10.2.1试验模型

10.2.2模型的频率和阻尼特性

10.2.3 NOPD的阻尼特性

10.3环境振动波和地震波输入下的NOPD减振试验

10.3.1试验模型

10.3.2试验工况

10.3.3试验结果分析

10.4本章小结

结论与展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢