地铁交通引起环境振动传递特性试验研究

地铁运营引起的环境振动问题越来越受到人们的关注,如何在频域内准确预测地铁交通引起的环境振动特性是一个亟待解决的难题;通过实验室锤击激励试验和数值模拟试验,对不同振源特性下隧道-地层-建筑物振动传播体系的传递特性进行研究。结果表明:隧道-地层/建筑物体系的传递率函数是传递系统的固有特性,与振源的幅值大小、幅频特性等因素无关;可以采用多点锤击激励激起的隧道-地层体系的传递率函数代替地铁列车运行引起的隧道-地层体系的传递率函数;基于锤击激励试验的地铁环境振动响应传递率函数预测方法可以实现时域和频域内准确定量预测地铁交通引起的环境振动响应。     

基于地铁列车运行引起的振动预测模型的浮置板轨道减振效果研究

针对地铁列车运行引起的隧道及土层振动响应问题提出数值预测模型。该模型根据移动荷载作用下动力响应解,将地铁列车运行引起的振动问题归结为计算频率-波数域内传递函数和频域内移动轴荷载问题。传递函数采用三维周期性有限元-边界元耦合模型计算,移动轴荷载主要考虑为频域内轨道不平顺激励下轮轨接触力。利用上述模型计算北京地铁4号线北京大学东门站北侧区间地铁列车运行引起的振动响应,并结合现场振动实测数据探讨该区间浮置板轨道减振效果。结果表明:模型具有良好适用性,可应用于地铁列车运行引起的振动预测;浮置板轨道是一种有效减振措施,在其工作频段内有明显减振效果,但在低频,浮置板轨道不能起到减振作用。     

基于脉冲激励的地铁运营引起邻近建筑物内振动预测方法

根据振动系统传递特性,提出一种新的环境振动预测方法——实测脉冲传递函数预测方法。通过脉冲试验测得振源与邻近建筑物内测点的振动加速度,计算得到振动系统的振动响应传递函数;将实测的地铁运营振源的振动加速度代入传递函数公式,实现对建筑物内测点的振动加速度时程、频谱、1/3倍频程和z振级的预测。应用该方法预测隧道中心楼内测点振动加速度结果表明:隧道结构与隧道中心楼内测点振动加速度传递函数峰值频段为30～50Hz,隧道中心楼内振动加速度峰值频段为40～60Hz;土层和隧道中心楼基础结构对60Hz以上频段的振动具有很强的衰减作用,楼房基础结构有效地隔断了70Hz以上的高频振动。该方法可用于预测地铁运营引起的建筑物内振动。     

轨道交通振动对建筑物影响程度的预测方法

既有的现场实测与数值模拟相结合预测方法,采用振动响应传递比描述室内外两点之间的振动变换,实现在不同频段上定量预测轨道交通振动对建筑物内人和精密仪器的影响。为将该方法用于预测建筑结构的振动响应,需要将1/3倍频程指标转化为速度峰值指标。指标转换方法是:利用能量守恒原理将1/3倍频程频域内的速度有效值转化为时域内的速度有效值;采用峰值因数将速度有效值转化为速度峰值,并建议在预测对普通建筑物、重点文物建筑的影响时峰值因数分别取4和5,在现场实测峰值因数样本大于9时,给出的指标转换方法不再适用。分析指标转换时的误差水平和使用条件可知,采用的指标转换方法是可行的。     

地铁波磨下胶垫频变对轮轨高频振动的影响

研究目的:为研究地铁钢轨波磨条件下扣件胶垫频变特性对轮轨系统振动响应的影响规律,本文首先测试并表征地铁扣件橡胶垫板的频变力学特性,然后建立地铁车辆-轨道垂向耦合动力学频域分析模型,并以某地铁实测钢轨波磨数据作为激励输入,计算和分析地铁扣件胶垫频变特性对轮轨系统高频动力响应的影响。研究结论:(1)在双对数坐标系下,扣件胶垫刚度(阻尼系数)随激振频率呈近似线性正相关(负相关);(2)考虑胶垫频变特性后,除钢轨振动加速度外,轮轨系统在波磨诱发频率范围内的动力响应均显著减小,但钢轨振动响应主频仍然在波磨诱发频带;(3)胶垫频变特性会增大轮轨系统在35～90 Hz以及700 Hz以上频段的振动响应,因此在预测地铁环境振动和高频轮轨噪声等问题时应考虑扣件胶垫频变特性;(4)本研究结论可为地铁钢轨波磨条件下轮轨系统的准确动力评估提供理论与试验依据。     

减振扣件对地铁隧道-地表振动特性影响分析

研究目的:不同减振扣件对地铁隧道-地表环境振动的减振效果特性有所差异,列车运行引起的隧道和地表的振动在时域和频域上有较大区别,目前对减振扣件减振效果评价多采用不同断面进行对比分析,但其结果会受到隧道断面周围结构的影响。基于此,本文通过对普通扣件和减振扣件下列车运行引起的隧道结构及地表振动进行现场实测分析,并建立车辆-轨道-隧道-大地耦合动力分析数值模型,研究减振扣件对隧道结构-地表的减振效果。研究结论:(1)减振扣件能有效控制道床和隧道壁上的振动响应,当采用减振扣件后,道床上峰值变小且峰值出现频段向低频偏移,隧道壁上减振扣件在卓越频率范围内出现振动放大现象;(2)地面测点的振动加速度峰值和Z振级随距离振源的位置增加呈现出减小的趋势,但是在15~30 m范围内出现增大的现象,说明在该区域范围内出现振动放大的现象,但放大区间有所不同,应根据具体工程选择合适的扣件;(3)地面同一测点振动加速度峰值和Z振级呈现出W形的变化趋势,因此在进行地面振动控制时应充分考虑控制点所处位置,根据具体情况采用合理的控制措施;(4)本研究成果可为轨道交通中隧道和地表振动控制措施选择提供理论依据。     

地铁列车及路面交通引起古建筑微振动预测研究

以西安地铁2、6号线交叉通过钟楼案例为背景,提出通过数值计算与现场测试相结合进行复杂交通环境下古建筑微振动响应的预测方法,并给出应用实例。通过现场测试获得路面交通振动响应及结构动力放大系数,充分利用地铁2号线已开通运行、地铁6号线尚未开工建设这一有利条件,对现况交通振动进行详细测试;同时建立三维动力有限元模型,并采用“振源输入-地表响应输出”两位校准法,验证预测模型的有效性;随后利用上述模型及预测方法,研究比较3种不同线路方案、5种列车运行工况下列车振动对钟楼振动的响应。研究结果从控制钟楼振动角度为地铁6号线建设的线路优化提供依据,研究方法可用于其他同类复杂交通环境下木结构振动响应的预测。     

对某拟建音乐厅室内声环境影响评价的探讨

现场测量了地铁列车运行振动对拟建音乐厅场址的环境影响,结果表明地铁对该场址的振动影响最大为41～48dB,频谱特性集中在16～63Hz范围内;同时预测了音乐厅建成后,室内受地铁列车运行振动产生的二次空气声影响将达29～30dB(A),将超过预定的25dB控制目标值。评价建议调整音乐厅位置至距离地铁线路100m外的区域,或严格选择拟建音乐厅地基结构,以减小地铁列车运行振动引起的拟建音乐厅二次噪声影响。该研究方法和研究成果可供同类工程建设项目环境影响评价参考和借鉴。     

地铁隧道列车运行诱发环境二次振动初探

建立了车-线-隧道耦合动力学模型,输入实际的列车、轨道、隧道承力结构参数,获得地铁列车运行时的隧道承力结构动态激励。在此基础上,综合运用有限单元法和无限边界元法,建立了隧道-土体-建筑动力耦合模型,分析隧道周围土体及沿线建筑物的受振特性,探析地铁列车振动对环境的影响规律。结果表明:地铁列车运行引起周围环境的二次振动为低频振动,且主要为竖向振动和横向振动;列车通过时,地面竖向振动最大值出现在距离隧道中心线10 m处,竖向振动加速度除了在距离隧道中心线45 m点出现反弹外,其他各点的振动加速度幅值基本上都是随着距离的增加而逐渐减小;随着传播距离的增加,较高频率的振动成分幅值衰减较快。     

地铁运行引起邻近建筑物振动的预测与分析

基于振动在建筑物内的传递特性,提出一种新的环境振动预测方法——振动分频传递预测方法。针对北京地铁4号线附近某砌体结构开展现场振动测试试验,并建立了该砌体结构的有限元模型,利用振动分频传递预测方法进行相关数值模拟计算。试验及数值计算结果表明:有限元模拟计算下的结果与实测结果基本一致,验证了该方法能够有效地预测地铁运行引起邻近建筑物的振动响应。     

广深线石龙地区准高速铁路开通前后铁路环境振动冲击指数

广深线准高速铁路是我国第一条准高速铁路，其开通前后铁路环境振动对居民影响程度必将产生变化。通过现场测试，采用铁路环境振动冲击指数，分析评价准高速铁路对环境振动的实际影响。结果表明，广深线准高速铁路开通后，石龙镇敏感地段铁路环境振动冲击指数有所下降，高振感居民下降约６％。     

多年冻土区铁路隔振沟隔振效果的数值分析

研究在多年冻土地区铁路两侧设置隔振沟的隔振效果,分析隔振沟的设置的位置及深度,提出相应的工程意见。对热水地区列车运行时所引起振动沿地面传播衰减的规律进行了实测,并根据该地区的实际情况采取用数值分析的方法得到振动沿地面传播衰减的规律,将实测与数值结果进行对比,分析不同位置和不同深度隔振沟的隔振效果。结果表明:位置对隔振的作用影响不大,从减小强振动的区域及路基的稳定性角度综合考虑,建议在3m处为佳;随着隔振沟深度的增大,隔振的效果逐渐增强,但增大的幅度不大。     

车辆—轨道耦合作用下轨道系统的瞬态动力响应

基于连续弹性离散点支承梁分析理论,采用瞬态动力有限元分析方法,分析轨道系统随列车速度、车辆荷载、车辆刚度及基础刚度变化时的瞬态动力响应。结果表明,列车激励频率和轨道系统频率决定了轨道系统的振动程度。     

浮置板式轨道结构隔振效果仿真研究

建立列车—轨道结构耦合系统有限元模型,将轨道不平顺作为列车—轨道结构耦合系统的激励源,对普通碎石道床轨道结构和浮置板式轨道结构的列车—轨道结构耦合系统动力学性能进行仿真研究,对比分析这2种类型的轨道结构系统振动响应与系统振动传递函数,评价浮置板式轨道结构的隔振效果。分析结果表明,浮置板式轨道结构与普通碎石道床轨道结构相比,振动加速度降低约70%,距线路5 m处大地振动加速度响应峰值降低约62.8%,相应Z振级衰减约10 dB,竖向振动加速度频率范围由0~200 Hz降到0~60 Hz,有效起到了振动隔离效果。     

解析铁道行业标准《铁路环境振动测量》

TB/T3152-2007《铁路环境振动测量》,以GB／T10071-1988《城市区域环境振动测量方法》作为主要依据,针对GB/T10071-1988中有关铁路环境振动测量方法中不明确的地方,如铁路环境振动的定义、标准的适用范围、测点的布设以及铁路环境振动的测量方法等,适当作了补充性规定,以满足实际测量工作的需要。     

基于脉冲试验的地铁环境振动响应传递函数预测方法研究

地铁运营引起的建筑物内振动,若对其不加防护,将影响人们的生活和工作,干扰精密仪器的正常运行,造成古建筑物的损伤;准确地预测地铁运营引起的环境振动,是解决这一问题的关键.因此,依托国家自然科学基金资助项目(51008017,50848046,50538010),采用理论分析、实验室试验、有限元仿真和现场测试相结合的方法,研究地铁运营引起的振动传递问题,并提出基于脉冲传递函数法的地铁运营引起建筑物内振动预测方法.论文主要研究内容和成果如下.     

我国地铁与建筑物合建体系研究评述

在总结我国分离式和合并式合建建筑振动转播路径和动力特性的基础上,评述不同类型的既有合建建筑动力响应及振动控制的工程实测和数值分析的研究现状。结果表明:相较于临近地铁建筑,合建建筑在振动强度、激振频段、低频敏感频段、水平振动量级和振动形态等方面具有显著不同;为改善合建建筑的振动环境,可通过降低车体重量、改善轮轨接触面和选择适合的减振轨道与扣件等手段对振源进行振动控制,还可采用整体浮置或局部浮置等隔振方法进行上部结构振动控制。为此,应在适用于合建建筑的通用耦合计算模型、减振轨道实际控制效果、制定匹配合建建筑的振源频率、开发具有针对性的隔振装置产品、浮置隔振中参数优化与关键部位的构造设计等领域进行深化研究。     

阻尼车轮减振降噪的试验研究

对国内标准客车车轮外侧表面进行约束型阻尼处理,试制出由基层(KKD型标准客车车轮)、阻尼层和约束层3部分组成的阻尼车轮样品。在实验室实测标准车轮、阻尼车轮的振动传递函数和噪声级,分析阻尼车轮的减振降噪效果。试验结果表明:阻尼车轮具有良好的减振降噪效果,在1 200~5 000 Hz频段内,阻尼车轮较标准车轮的振动传递函数幅值有较大幅度下降,沿车轮结构传递的振动减小;在径向和轴向激励条件下,总噪声级降低达10 dB以上。该阻尼车轮在制作上工艺简单,无须对结构进行改造,具有良好的应用前景。     

桥上无砟轨道橡胶减振垫减振性能试验研究

以成都—都江堰高速铁路工程为背景,通过现场测试试验,研究桥上无砟轨道铺设橡胶减振垫的减振效果.结果表明:铺设橡胶减振垫后,减振垫上钢轨和轨道板的振动略有放大,但影响甚微,而减振垫下底座板、桥梁及地面的振动显著降低,其中底座板的最大振动加速度降低了85％左右;时域内,在距线路中心线0,15和30 m处地面的最大竖向加速度振级均降低了9.5dB左右;频域内,在0～6.3 Hz频段内,橡胶减振垫的减振效果不明显;在8～20 Hz频段内,由于与轨道—桥梁—大地系统本身的自振频率重合,反而放大了地面的振动;在25～100 Hz频段内,减振作用明显,且距线路中心线越远,减振效果越显著,但距线路中心线不同距离处对应最大减振作用的频段和插入损失值不同,0m处最大减振作用出现在31.5 Hz频段,插入损失值为7.8 dB,15和30 m处最大减振作用均出现在40 Hz频段,插入损失值分别为13.6和16.4 dB.可见,橡胶减振垫能够对25 Hz以上频段的振动起减振作用.