一种城市轨道交通引起的环境振动预测方法及系统

摘要

本发明公开了一种城市轨道交通引起的环境振动预测方法及系统，方法包括：获取城市轨道交通高架列车在不同速度下的简支混凝土箱梁的振动速度；对所述振动速度进行频谱分析，得到分析结果；根据列车‑轨道‑桥梁耦合分析模型进行计算，得到频谱结果；将所述分析结果与所述频谱结果进行对比，发现与根据理论公式预测结构相关的第一峰值频率与周期激振频率相关的第二频率相对应；预测城市轨道交通引起的环境振动。本发明以解释试验梁100Hz范围内峰值频率的物理意义，预测城市轨道交通引起的环境振动。

说明书

技术领域

本发明涉及城市轨道交通技术领域，特别是涉及一种城市轨道交通引起的环境振动预测方法及系统。

背景技术

列车在城市轨道上运行时，会产生轮轨相互作用会产生振动，并沿着桥墩传到地面。而地面振动和结构噪声会对环境造成污染，如何预测城市轨道交通引起的环境振动成为目前急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种城市轨道交通引起的环境振动预测方法及系统，以解释试验梁100Hz范围内峰值频率的物理意义，预测城市轨道交通引起的环境振动。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种城市轨道交通引起的环境振动预测方法，包括：

获取城市轨道交通高架列车在不同速度下的简支混凝土箱梁的振动速度；

对所述振动速度进行频谱分析，得到分析结果；

根据列车-轨道-桥梁耦合分析模型进行计算，得到频谱结果；

将所述分析结果与所述频谱结果进行对比，发现与根据理论公式预测结构相关的第一峰值频率与周期激振频率相关的第二频率相对应；

预测城市轨道交通引起的环境振动。

具体地，所述城市轨道交通高架列车的速度为60km/h以及80km/h。

具体地，所述振动速度包括城市轨道交通高架列车通过之前的简支混凝土箱梁的振动速度、城市轨道交通高架列车通过时的简支混凝土箱梁的振动速度以及城市轨道交通高架列车通过之后的简支混凝土箱梁的振动速度。

具体地，所述第一峰值频率和所述第二峰值频率的范围均为0-100Hz。

具体地，所述列车-轨道-桥梁耦合分析模型是采用欧拉梁理论对钢轨、轨道板以及主梁进行建模建立的，所述列车-轨道-桥梁耦合分析模型是采用周期结构理论进行求解的。

一种城市轨道交通引起的环境振动预测系统，包括：

获取模块，用于获取城市轨道交通高架列车在不同速度下的简支混凝土箱梁的振动速度；

分析模块，用于对所述振动速度进行频谱分析，得到分析结果；

计算模块，用于根据列车-轨道-桥梁耦合分析模型进行计算，得到频谱结果；

对比模块，用于将所述分析结果与所述频谱结果进行对比，发现与根据理论公式预测结构相关的第一峰值频率与周期激振频率相关的第二频率相对应；

预测模块，用于预测城市轨道交通引起的环境振动。

具体地，所述振动速度包括城市轨道交通高架列车通过之前的简支混凝土箱梁的振动速度、城市轨道交通高架列车通过时的简支混凝土箱梁的振动速度以及城市轨道交通高架列车通过之后的简支混凝土箱梁的振动速度。

具体地，所述列车-轨道-桥梁耦合分析模型是采用欧拉梁理论对钢轨、轨道板以及主梁进行建模建立的，所述列车-轨道-桥梁耦合分析模型是采用周期结构理论进行求解的。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种城市轨道交通引起的环境振动预测方法及系统，方法包括：获取城市轨道交通高架列车在不同速度下的简支混凝土箱梁的振动速度；对所述振动速度进行频谱分析，得到分析结果；根据列车-轨道-桥梁耦合分析模型进行计算，得到频谱结果；将所述分析结果与所述频谱结果进行对比，发现与根据理论公式预测结构相关的第一峰值频率与周期激振频率相关的第二频率相对应；预测城市轨道交通引起的环境振动。本发明以解释试验梁100Hz 范围内峰值频率的物理意义，预测城市轨道交通引起的环境振动。

附图说明

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实例提供的城市轨道交通引起的环境振动预测方法流程图；

图2为本发明实例提供的速度传感器布置示意侧视图；

图3(a)为本发明实例提供的60km/h时主梁自由振动试验数据与计算结果的频谱比较图；图3(b)为本发明实例提供的80km/h时主梁自由振动试验数据与计算结果的频谱比较图；

图4(a)为本发明实例提供的60km/h时试验数据与计算结果在10Hz范围内的受迫梁梁振动频谱的比较图；图4(b)为本发明实例提供的80km/h时试验数据与计算结果在10Hz范围内的强迫梁振动频谱的比较图；

图5(a)为本发明实例提供的60km/h时在10-100Hz范围内，试验数据和计算结果的频谱比较图；图5(b)为本发明实例提供的80km/h时在10-100Hz 范围内，试验数据和计算结果的频谱比较图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种城市轨道交通引起的环境振动预测方法及系统，以解释试验梁100Hz范围内峰值频率的物理意义，预测城市轨道交通引起的环境振动。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，城市轨道交通引起的环境振动预测方法包括：

一种城市轨道交通引起的环境振动预测方法，包括：

步骤101：获取城市轨道交通高架列车在不同速度下的简支混凝土箱梁的振动速度；

进一步地，所述城市轨道交通高架列车的速度为60km/h以及80km/h；所述振动速度包括城市轨道交通高架列车通过之前的简支混凝土箱梁的振动速度、城市轨道交通高架列车通过时的简支混凝土箱梁的振动速度以及城市轨道交通高架列车通过之后的简支混凝土箱梁的振动速度。

步骤102：对所述振动速度进行频谱分析，得到分析结果；

步骤103：根据列车-轨道-桥梁耦合分析模型进行计算，得到频谱结果；

进一步地，所述列车-轨道-桥梁耦合分析模型是采用欧拉梁理论对钢轨、轨道板以及主梁进行建模建立的，所述列车-轨道-桥梁耦合分析模型是采用周期结构理论进行求解的。

步骤104：将所述分析结果与所述频谱结果进行对比，发现与根据理论公式预测结构相关的第一峰值频率与周期激振频率相关的第二频率相对应；

进一步地，所述第一峰值频率和所述第二峰值频率的范围均为0-100Hz。

步骤105：预测城市轨道交通引起的环境振动。

一种城市轨道交通引起的环境振动预测系统，包括：

获取模块，用于获取城市轨道交通高架列车在不同速度下的简支混凝土箱梁的振动速度；

分析模块，用于对所述振动速度进行频谱分析，得到分析结果；

计算模块，用于根据列车-轨道-桥梁耦合分析模型进行计算，得到频谱结果；

对比模块，用于将所述分析结果与所述频谱结果进行对比，发现与根据理论公式预测结构相关的第一峰值频率与周期激振频率相关的第二频率相对应；

预测模块，用于预测城市轨道交通引起的环境振动。

在本实施例中，所述振动速度包括城市轨道交通高架列车通过之前的简支混凝土箱梁的振动速度、城市轨道交通高架列车通过时的简支混凝土箱梁的振动速度以及城市轨道交通高架列车通过之后的简支混凝土箱梁的振动速度。

在本实施例中，所述列车-轨道-桥梁耦合分析模型是采用欧拉梁理论对钢轨、轨道板以及主梁进行建模建立的，所述列车-轨道-桥梁耦合分析模型是采用周期结构理论进行求解的。

以下为本发明提供的具体实施方式：

一、试验背景

对某城市轨道交通(URT)上列车运行引起的环境振动进行了现场测试。其地面主要由第四纪巨厚软土组成。

二、测试设置

采用速度传感器记录桥梁结构和地面的振动。如图2所示，三个速度传感器(V1，V2，V3)布置在主梁跨中。定义x轴，y轴和z轴分别沿着桥梁的纵向，横向和竖直方向。只记录和解释垂直振动，即沿z轴的振动。传感器V1～V3 用铝架固定在梁底。

在试验中，设置两种情况下的列车速度，即60和80km/h。试验期间对列车速度实行双重控制。一种是通过进入驾驶室提醒司机设定目标车速。第二种控制是由秒表控制，当列车头部到达传感器位置时开始，当尾部离开时停止。列车速度可以通过将列车长度除以秒表时间来确定。

将时间曲线分为三个部分。一个是“通过前”部分，对应于从#25号码头运行到#15号码头的列车。另一个是“通过后”部分，表示列车从11号码头运行到7号码头的时间段。剩余的时间历史属于“通过期间”部分。比较传感器V2记录的振动速度的三个部分之间的频谱。

列车通过前记录到的振动速度一般是由环境激励引起的。而“通过后”速度主要对应于激励源列车离开时的自由衰减振动。

三、分析模型和峰值频率预测

对于高架桥上的板式轨道，建立了解析模型，用于求解列车，轨道和桥梁梁之间的垂向动力相互作用。其特点是无限轨，不连续板和包含多个列车车轮，很好的反映了列车/桥梁的实际情况。采用欧拉梁理论对钢轨、轨道板和主梁进行了建模，该理论适用于低频范围内的动力学分析。轨道/桥梁系统的弹性构件，包括钢轨扣件，梁支撑下的垫层，被建模为分布式的弹簧/缓冲器单元。采用周期结构理论，对无限大轨道，不连续板和无限大跨梁的模型进行了解析求解。列车载荷既可以通过移动轴载引入，也可以通过轮轨相互作用引入。模型的优点在于可以显式地考虑板和梁对列车/桥梁振动的贡献。

解析模型给出了列车荷载在高架轨道上运动时，钢轨和主梁随轮轨力的位移响应。然后从响应谱中识别出峰值频率。轨道梁、板梁和主梁的材料特性分别为抗弯刚度，线质量密度和滞回阻尼比。带有下标'r'，'s'和'b'的那些符号分别表示与钢轨，板和梁相关联的参数。对于梁下的分布弹簧，刚度，间距和阻尼比分别用下标'rp'，'sp'和'bp'表示，这些参数分别对应于钢轨扣件，缓冲层和梁支撑。假定不连续板在主梁跨度内具有相同的长度。根据试验线的设计文件，可确定上述参数的取值，并汇总于表1。

表1车轮、轨道和桥梁的材料和几何特性

在模型中，试验列车被建模为运动的多轮(即4节车厢的16轮)。运动的车轮通过轨道的弹性变形相互影响。相关参数包括车轮质量和轮轨接触刚度，其值也包括在表1中。

与列车-轨道-桥梁系统结构有关的，可能在低频范围内放大主梁响应的特征频率包括：(a)下垫层上板(作为刚体)的共振频率(Hz)，给出如下:

f

β

f

cosh(βl

β

f

除了结构固有的特征频率之外，由车辆的轴载荷(为1，…，4与四个特征距离相关联)的重复作用以及由周期性地通过轨道扣件和不连续板的移动载荷的周期性激励频率也可贡献于桥梁响应的峰值频率，即，

将相关参数代入方程(7)后，与结构相关的特征频率和周期激励频率分别汇总在表2和表3中。

表2列车-轨道-桥梁结构在100Hz以内的特征频率

表3周期激励频率

四、测试数据峰值频率的解释

在此过程中，将测试数据的频谱将与分析/计算模型的预测结果进行比较，以解释峰值频率的物理意义。由于是峰值频率而不是峰值幅度，因此测试数据的幅度和预测的幅度分别由给定频率范围内的相应最大值归一化。

测试列车通过之前和之后记录的振动速度包含由环境激励或由移动列车贡献的频率内容，频率内容被限制在0～10Hz。

从理论上讲，环境激励可以看作是在整个频率范围内单位幅度的白噪声。通过连续改变振动频率，可以得到梁周围振动的频率分量。而对于列车引起的自由衰减振动，则是将列车轴载施加到距离试验线足够远的跨度上进行模拟。由于分析模型是在频域内建立和求解的，计算结果直接得到梁的响应谱。

图3(a)和(b)比较了环境激励和远场动列激励下试验数据与计算结果的归一化幅频内容。图中，三个传感器的测试数据均为“通过前”和“通过后”部分的平均值，以明确对比。当列车速度为60km/h时，“通过中”段的持续时间约为14s，对于衰减列车对主梁的强迫振动来说，时间相对较长。从图3(a)中可以看出，梁振动主要由环境激励贡献，因为与环境激励相关联的分析曲线很好地用作测试数据图的主干曲线，除了和处的峰值。因此，在梁的第一弯曲共振频率4.5Hz附近，梁的自由振动被显著放大。如图所示，在轴载激励频率的整数倍的频率分量处也可以观察到较小的峰值。

然而，当列车速度增加到80km/h时，试验数据at的峰值不占优势，而可以观察到试验数据和以移动列车轴载荷作为输入的分析结果之间的峰值频率之间的良好对应。观测结果表明，由于列车以80km/h速度运行时，“通过过程”段的时间相对较短(10s)，主梁的自由振动主要由列车以80km/h速度运行引起的自由衰减振动控制。

由于对于远场移动列车激励情况，还对图中试验曲线的峰值进行了解释。是可靠的，即主梁的自由振动由主梁的弯曲共振频率和动轴加载频率及其倍数决定。而对扣件通过频率和板通过频率的贡献不显著。

列车通过时梁的振动频谱幅值在0-10Hz和10-100Hz的频率范围内都是显着的，这表明列车通过时梁的振动频谱幅值在0-10Hz和10-100Hz的频率范围内都是显着的。受10Hz范围内的试验分析结果与梁的自由振动比较良好的启发，再次使用列车轴载作为分析模型的输入，对10Hz范围内的梁的自由振动进行了预测。在分析模型中，列车荷载作用在桥梁的试验跨度上，并将观测点设置为传感器的位置。分析模型预测的峰值频率与试验数据的峰值频率大体一致，不仅峰值频率而且相对峰值幅度彼此都很一致。

在分析模型中只考虑移动轴重激励，图4中的分析曲线的峰值，可以可靠地解释为与移动轴载荷(及其倍数)相关的周期激励的贡献，并解释为梁在其支承上的第一次弯曲共振。从图4(a)中可以看出，峰值振幅与由所贡献的峰值相比是显著的。然而，当列车速度增加到80km/h时(图4(b))，该差异应归因于当周期激励频率与桥梁的固有频率一致时发生的桥梁共振，即对于60km/h (图4(a))。

记录到的主梁振动速度的频谱在10-100Hz范围内非常密集。更仔细的检查表明，频谱的峰值是均匀间隔的，且间隔随着列车速度的增加而增加，这表明这些峰值与移动轴荷的周期性激励频率有关。将列车轴载再次输入到解析模型中，得到了梁的振动速度谱。第一眼就能观察到测试曲线和计算曲线之间的明显差距。然而，两条曲线达到峰值的频率通常一致，如插入图所示。可以看出，对于以60km/h和80km/h速度运行的列车，峰值间距分别为0.7Hz和1.0Hz。从表3中可以清楚地看出，这些峰值是由移动列车轴载荷的周期性激励引起的。具体地说，它是对应于相邻两辆车周期性通过的激励频率。

综上，本实施例在城市高架轨道交通上进行了现场试验，记录了列车以 60km/h和80km/h速度运行时的主梁振动速度。对试验数据的频谱峰值进行识别，并与建立的模型所得到的分析/计算结果进行比较，对试验数据进行解释。因此，由周期激励频率和与列车/轨道/桥梁结构相关的特征频率所贡献的峰值可以很容易地由模型再现，这为解释测试数据所观察到的峰值频率提供了理论基础。本发明可以解释试验梁100Hz范围内峰值频率的物理意义，预测城市轨道交通引起的环境振动。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。