高架轨道交通引起的环境振动预测与参数研究

摘要

随着经济和社会的不断发展，城市规模的不断扩大，城市人口也逐步增多，轨道交通因其优点得到了快速发展，我国轨道交通系统的建设如今已经达到一个高潮期。但轨道交通系统在方便人们出行的同时给周围环境造成的振动影响也与日俱增，已经引起了人们的普遍关注。高架结构作为一种主要的承载结构在轨道交通系统中得到了广泛应用，因此研究高架轨道交通引起的环境振动具有重要意义。
　　 本文对高架轨道交通引起的环境振动预测和影响参数进行了研究。通过建立车辆-桥梁-地面模型对各影响参数进行了对比计算，提出了适合工程使用的环境振动预测公式，并通过现场试验对高架轨道交通列车引起的环境振动进行了验证。主要研究内容包括：
　　 (1)研究了弹性支座简支梁在移动荷载作用下的动力响应。通过对弹性支座梁的振型推导，得到了弹性支座梁的振型函数。并分别对移动竖向荷载作用下弹性支座梁、移动竖向和纵向荷载共同作用下弹性支座梁、移动弹簧阻尼体系作用下弹性支座梁及匀变速移动荷载作用下弹性支座梁的动力响应进行了理论推导。并对理论进行了数值计算，得到了一些有意义的结论。
　　 (2)对北京地铁5号线高架桥线路周围地面进行了环境振动测试，将测试得到的地面振动加速度数据在时域和频域内进行了分析，得到了以下结论：普通轨枕下的地面振动在近振源点处大于梯形减振轨道下的地面振动，远振源点处小于普通轨枕下的地面振动；地面横向振动随距离的衰减表现为先增大后减小；竖向振动的衰减规律总的趋势是逐渐减小，但有一个明显的反弹区，且振动越大反弹越明显；梯形轨枕能够对一定频率范围内的振动起到减振效果，但是对某一频率范围的振动会有所放大；高频振动的衰减速度大于低频振动的衰减速度；远振源点的振动主要是由低频的振动引起的。
　　 (3)建立了高架轨道交通引起环境振动的计算模型。本模型包括列车-桥梁子结构模型和墩-土子结构模型，通过建立列车-桥梁的振源模型，可以求出桥墩顶部的激励力，将墩顶部的激励力作用在用有限元软件建立的三维墩-土模型，即可以求出自由场地任意一点的振动响应。运用计算模型对各种影响因素进行了计算，影响因素包括：轨道不平顺、列车速度、地基土性质、桥梁跨度以及与振源的距离等。
　　 (4)根据计算结果运用回归方法得到了适合工程应用的高架轨道引起环境振动的预测公式。并通过现场试验结果对预测公式的适用性和准确性进行了对比验证。结果表明：本预测公式具有较强的适用性和准确性。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第1章 绪论

1.1 轨道交通的发展现状及其引起的环境振动问题

1.1.1 轨道交通的发展现状

1.1.2 轨道交通引起的环境振动危害及特点

1.2 高架轨道交通环境振动的主要研究内容

1.3 国内外研究现状

1.3.1 振源的研究现状

1.3.2 传播路径研究现状

1.3.3 减隔振措施的研究

1.3.4 计算模型的研究现状

1.3.5 预测模型的研究现状

1.3.6 研究方法

1.4 研究成果的不足之处

1.5 本文的主要内容

第2章 移动荷载作用下弹性支座梁动力响应研究

2.1 弹性支座简支梁的振形函数

2.1.1 弹性支座简支梁振型的求解

2.1.2 不同弹性支座梁的振型讨论

2.2 移动荷载作用下弹性支座梁的动力响应求解

2.2.1 在移动集中力作用下的动力响应

2.2.2 弹性支座连续梁的动力响应

2.2.3 竖、纵向荷载共同作用下梁的动力响应

2.3 弹性支座梁在移动车轮加簧上质量作用下的动力响应

2.4 算例

2.4.1 等效质量随梁墩刚度比的变化

2.4.2 跨中位移随梁墩刚度比的变化

2.4.3 荷载变速对跨中位移变化的影响

2.5 本章小结

第3章 高架轨道交通引起的环境振动测试与分析

3.1 试验简介

3.1.1 试验内容

3.1.2 测试地点

3.1.3 测点布置

3.1.4 试验仪器

3.1.5 试验加载记录

3.2 地面振动标准及处理方法

3.3 试验结果分析

3.3.1 试验结果的时程分析

3.3.2 地面振动的频谱分析

3.3.3 加速度振级分析

3.4 理论分析与数值模拟

3.4.1 理论分析

3.4.2 算例

3.5 本章小结

第4章 车-桥-地面体系动力分析模型

4.1 车辆模型

4.1.1 车辆振动的基本型式

4.1.2 车辆模型的基本假定

4.1.3 车辆运动方程的建立

4.1.4 车辆动力平衡方程组

4.2 桥梁模型

4.2.1 桥梁模型的基本假定

4.2.2 桥梁模型

4.3 车桥系统耦合振动的求解

4.3.1 车桥系统耦合振动平衡方程组

4.3.2 微分方程组的求解

4.4 轨道不平顺

4.5 墩-土结构体系的动力分析模型

4.5.1 有限元法原理和ANSYS有限元软件综述

4.5.2 三维墩-土模型的参数设置

4.5.3 墩土结构的三维有限元模型

4.5.4 模型的加载与求解

4.6 本章小结

第5章 高架轨道交通引起地面振动预测与参数研究

5.1 地面振动计算过程

5.1.1 车-桥模型和墩-土模型的结合及其程序设计

5.1.2 计算模型参数选取与工况设置

5.2 计算结果分析

5.2.1 各主要因素的影响分析

5.2.1 高架轨道交通的计算分析结论

5.2.2 应用统计回归分析

5.2.3 振动预测模型的建立

5.2.4 各影响因素对地面振动的敏感性分析

5.2.5 考虑多种因素影响下的地面振动公式的建立

5.3 试验验证

5.3.1 大青河桥环境振动测试对计算模型的验证

5.3.2 与其他预测公式的对比

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 本文主要研究内容和结论

6.2 进一步研究工作的展望

参考文献

作者简历

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