高速铁路路堑段地面振动试验研究及数值分析

为研究高速铁路路堑在高速列车荷载下的地面垂向振动随距离传播规律,对宝兰高铁路堑段地面垂向振动进行现场试验,对现场试验的数据从时域和频域两个方面进行分析揭示地面垂向振动加速度响应特征。结果表明,路堑垂向振动加速度在距离线路中心线12.5～40 m总体呈衰减趋势,靠近线路中心线处12.5～20 m处垂向振动加速度衰减较快,较远处20～40 m处衰减速度较慢。地面垂向振动加速度在各测点处由60 Hz及100 Hz附近的频率成分主导,随着距离的增大,110 Hz左右的高频成分衰减很快,到了距线路中心线20～40 m,振动加速度在60 Hz左右的频率成分占优。依据现场工况,建立了列车-轨道-路堑-地基数值分析模型,并通过数值试验的方法,设置不同的场地速度特性,分析不同场地条件对路堑振动响应的影响。数值分析表明,场地速度特性(覆盖层与下卧层模量比、覆盖层厚度)是影响地面振动剧烈程度的重要因素,地基覆盖层与下卧层模量比越大,地面振动越强烈,模量比一定,覆盖层厚度越小,地面振动越大。     

更换减振扣件前后地铁运营引起地面振动的研究

选择北京地铁5号线宋家庄—刘家窑区段,在更换减振扣件前后2次测试地铁正常运营引起的地面水平及垂向振动加速度,对其进行频谱分析;建立轨道—隧道—土层的三维有限元模型,利用实测数据,研究垂直于地铁线路方向不同距离的振动加速度响应规律。结果表明:地铁线路位于曲线段时,地面水平与垂向振动加速度峰值和有效值基本相等;在安装DTⅥ2扣件的轨道地段,地铁列车运营引起的地面主要振动频率为40～80 Hz,在安装Vanguard扣件的轨道地段为20～40 Hz,说明Vanguard扣件有较突出的减振效果;随着距地铁隧道中心线距离的增加,地面振动加速度响应表现出衰减的趋势,在离开隧道轴线一定距离处,存在地面振动加速度放大区,水平和垂向振动加速度放大区的位置有所不同。     

黏弹阻尼道床阻尼厚度对隧道及地表振动衰减特性的模拟研究

为探究黏弹阻尼道床阻尼厚度对隧道及地表振动衰减特性的影响,为工程设计提供理论支持。利用ANSYS建立土体-隧道-道床平面有限元模型,分析在5～25 Hz频率荷载的作用下,整体道床和黏弹阻尼道床在隧道结构中的振动响应,并分析这两种道床下地表距离隧道中心线不同距离的振动加速度的衰减特性。结果表明:荷载频率小于10 Hz时,在地表距离隧道中心25 m左右,振动有明显的放大区域;荷载频率为10～20 Hz,振动加速度随道床阻尼层厚度降低,阻尼层越厚振动衰减越明显;随着黏弹阻尼道床阻尼层厚度增加,隧道衬砌底部振动加速度有效值依次降低,隧道壁竖直方向振动衰减更加明显,阻尼层每增加2 mm,振级降低1～4 d B。     

轨道高低不平顺敏感波长的分布特征及其影响因素的研究

基于车辆-轨道耦合动力学理论,采用频率分析方法计算轨道高低不平顺与车辆-轨道垂向耦合系统之间的传递函数。根据车辆-轨道耦合系统的振动传递特性得出轨道高低不平顺的敏感波长,并分析其分布特征,进一步探讨行车速度、车辆悬挂参数、轨道参数对敏感波长的影响。结果表明:基于车辆-轨道耦合系统的振动传递特性,可得出轨道不平顺的敏感波长;车体、转向架振动加速度的敏感波长不随车速的增大而递增,而由车速的增大速率与敏感频率移动速率的比值决定的;轮对加速度、轮轨力和轨道结构振动加速度的敏感波长随车速的增大近似呈线性增大;适当增大车辆系统的悬挂刚度和阻尼有利于减小高低不平顺的最大敏感波长范围;轨道刚度和阻尼对车体、转向架振动加速度的敏感波长几乎无影响,但轮对加速度、轮轨力和轨道结构振动加速度的敏感波长随轨道刚度和阻尼的增大而减小。     

地铁出入段线类矩形盾构隧道振动传递特性测试分析

以宁波地铁3号线一期工程出入段线类矩形盾构隧道为研究对象,在隧道内与地面布置加速度传感器进行同步测试分析,测试分为一列列车运行与两列列车同向并行运行两种行车工况。结果表明:两列列车同向并行运行工况与一列列车运行工况相比,同一测点振动加速度有效值明显增大;各测点振动加速度级在绝大部分频段均有增大,且在4 Hz处增大最显著;两种行车工况下,过车引起的振动由隧道壁向地面各测点传播过程中,呈波动衰减趋势,高频段振动传递损失较低频段大,大部分测点在5 Hz以内频段传递损失均出现负值,说明此频段附近振动加速度从隧道壁传递至地面有放大现象;两列列车同向并行运行工况对环境振动评价影响较大,在线路设计时,建议考虑列车会车对环境振动的影响。     

CRTSⅡ型板式轨道关键参数对高速车辆-轨道垂向耦合振动响应的影响

基于CRTSⅡ型板式无砟轨道关键参数对行车安全的影响,指导轨道结构的优化,利用有限元方法和轮轨系统耦合动力学原理,建立车辆-轨道-路基系统垂向耦合动力学模型,研究轨道结构关键参数对列车的振动特性和轮轨垂向作用力的影响规律。研究结果表明：轨道板厚度对行车平稳性基本无影响;当扣件刚度从20 kN/mm增加到100 kN/mm时,轮对和转向架的振动加速度分别增加43.94%和7.98%,轮轨垂向力增加29.83%;扣件阻尼从20 kN·s/m增大到100 kN·s/m时,轮对和转向架的振动加速度分别减小21.64%和7.09%,轮轨垂向力减小9.48%,车体变化不大;为保证行车的安全性和平稳性,扣件阻尼和混凝土支承层厚度应尽可能取较大值。     

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。     

柔性轮对及车轮多边形对高速铁路轮轨系统动力响应的影响

基于刚柔耦合动力学理论建立柔性轮对车辆-轨道刚柔耦合动力学模型，结合现场实测轴箱加速度验证了模型的可靠性。采用谐波叠加法模拟车轮多边形，对比了有无车轮多边形对轮对振动加速度的影响。在此基础上，分析了车轮多边形参数（如多边形阶次、幅值变化）对轮轨系统振动的影响。结果表明，车轮多边形将导致柔性轮对垂向加速度显著增大；与刚性轮对模型相比，柔性轮对及转向架的垂向加速度显著增大，此时多边形激振频率（674 Hz）成为影响其垂向振动的主要因素；轮对垂向加速度随多边形阶次的增加先增大再减小，当车轮多边形阶次为20阶时，轮对垂向加速度达到最大值；钢轨垂向加速度随多边形阶次的增加而增大；轮对垂向加速度、钢轨垂向加速度随多边形幅值的增大而增大。     

高速列车垂向随机振动及减振器阻尼参数优化

根据考虑和不考虑轮对振动位移的高速列车垂向振动广义Ruzicka隔振模型,通过方程变换,得到便于数值积分求解的高速列车垂向振动状态空间表达式。在此基础上,应用随机振动理论研究高速列车的垂向振动特性,并比较分析2种模型之间的差别;基于考虑轮对振动位移的高速列车垂向振动广义Ruzicka隔振模型,分析减振器阻尼参数对列车振动响应的影响,并以车体垂向振动加速度、二系悬挂垂向行程、构架垂向振动加速度、一系悬挂垂向行程均方根值为目标,应用评价函数法,建立高速列车垂向减振器阻尼参数优化方法。由分析结果可知,该优化方法可进一步改善列车的运行品质,为高速列车垂向减振器阻尼参数的选取提供了有益参考。     

高速铁路环境振动黏弹性边界数值模型及验证

为研究有限元法在高速列车荷载引起的环境振动问题研究中的应用及模拟精度,采用数值方法分析列车运行引起桥梁附近自由场振动问题,数值模型包括列车-轨道-桥梁耦合模型和墩-桩-土耦合模型。其中,墩-桩-土模型采用有限元方法建立,引入黏弹性人工边界从半无限介质土体中截取出有限计算域。通过在模型截取边界施加切向和法向弹簧-阻尼单元,消除模型边界处波的反射与透射。其计算精度通过求解Lamb问题可知,黏弹性边界相比固定边界更加接近于解析解。再将黏弹性边界应用于车致环境振动数值模型,数值分析结果与现场测试结果进行对比,可以看出实测时程与分析结果时程曲线波形和幅值均吻合较好,从1/3倍频程对比曲线可以看出,地面响应峰值频率约为50 Hz,数值分析与现场实测结果在响应优势频段吻合较好。由总振级结果可知,地面响应随与振源距离的增加而减小,数值分析结果与实测响应结果在各测点的具体数值存在一定差值,但差值较小,且振动衰减趋势基本一致。     

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。     

半主动减振器阻尼控制技术研究

对铁道机车车辆半主动控制减振器进行了理论研究和产品研制,提出一种根据振动加速度得到振动速度的频率与幅值方法,基于模糊神经网络控制策略,实现半主动减振器控制阻尼参数可调,适用于各种路况、速度等级,满足提速与乘坐舒适度的要求.     

基于现场测试的曲线段地铁地面振动传播规律

在地铁区间为小半径曲线、地面无干扰振源并可以布置高密度测点的珍贵测试条件下,采用高灵敏度数据采集与分析系统,对北京地铁某曲线段进行地面振动测试。根据测试数据,研究地铁列车通过曲线段时引起地面振动加速度的时域和频域内传播规律。结果表明:在距离隧道中心线100m范围之内,地铁运营引起地面振动加速度的时程峰值主要在10-2 m·s-2量级,远大于背景振动下的10-4 m·s-2量级;在距离隧道中心线50m范围之内,水平振动强度是竖向振动强度的2～4倍,建议在涉及曲线段地铁的环评中应同时考虑竖向振动和水平振动的影响;水平振动加速度的主要频率成分为30～120Hz,建议在关于曲线段地铁的试验、测试和模拟中应选取较宽的频率分析范围;地面振动加速度频谱幅值随着与隧道中心线间距离的增加而呈波动性衰减。     

缓和曲线段地铁运行引起地表振动的实测结果及其传播规律分析

对上海轨道交通9号线某区间缓和曲线段地铁运行引起的地表振动进行了现场测试,并对实测的地表振动加速度进行了时域、频域及1/3倍频程分析。结果表明:在缓和曲线段,地铁列车行驶引起的地表横向加速度有效值是竖向加速度有效值的0.9~3.1倍;地表加速度频率分布在30~120 Hz,其中最显著的频率为30~50 Hz;加速度振级随着与隧道中心线水平距离的增加呈减小趋势,且在距离隧道中心线5 m、30 m时出现放大区;地表土体振动加速度幅值、频谱峰值随着地铁列车速度增大基本呈增大趋势。     

地铁振动对邻近建筑物影响及围护桩减振效果研究

依托北京某拟建住宅项目,采用现场监测方法获得地铁列车运行引起建筑物场区内地面振动的振动特性,并通过有限元分析软件建立地铁-土体-建筑一体化三维数值模型,预测拟建楼房的振动规律,预测结果与现场监测结果对比显示二者有良好的一致性,并分析采取基坑围护桩作为减振措施的应用效果。研究结果表明:(1)在地铁运行影响下,地面振动加速度级随着频率增加呈现先增大后减小的趋势;(2)对于10层左右的建筑物,地铁运行振动引起的动力响应随着楼层的增加,存在一个先减小后增大的过程,地面首层和顶层的动力响应最为显著;(3)基坑围护桩能有效减小建筑振动响应,各典型楼层最大Z计权振动加速度级均下降7~9 dB;(4)随着楼层的升高,建筑结构对30~40 Hz频段的建筑物竖向振动具有一定削弱作用。     

高铁滨海北站路基段环境振动试验研究与数值分析

为了研究高速铁路列车在路基段运行时引起的周边环境地面上的竖向振动特性和传播规律,进行现场试验和数值分析。实测结果表明:高速铁路路基段周边环境地面不同距离测点的Z振级均小于78 d B,振动并没有随距离衰减,只是在距离外轨30~60 m范围内有减弱;距离线路外轨30 m外的环境振动的频谱主峰频率以小于10 Hz的低频为主;振动频谱中并没有显现出高频振动衰减快、低频振动衰减慢的规律。基于FLAC3D的数值分析结果与实测值吻合良好,验证了模型的合理性,并分析群桩加固区对振动的影响,结果表明:在路基段采用群桩基础对地基进行加固,可有效降低高速铁路列车运行对路基段周边环境振动的影响。     

基于径向基函数神经网络的轨道交通车辆振动状态预测

通过遗传算法优化径向基函数神经网络的中心、宽度及权重等参数,构建车辆振动神经网络预测模型。通过42自由度车辆多体动力学模型,以某线路实测轨道不平顺数据作为输入,得到车辆振动加速度数据。通过训练与优化,构建的车辆振动预测模型能预测车体振动加速度变化趋势。     

下穿隧道爆破施工对既有隧道的振动影响及对策研究

依托云南省盐津县白水江三级电站引水隧洞下穿内昆铁路手扒岩隧道的工程实际,采用LS-DYNA显式动力数值模拟及现场爆破振动监测,对既有隧道受下穿新建隧道爆破施工产生的振动影响和对策进行研究。结果表明:全断面起爆中,D(D为下穿新建隧道洞径,下同)<2.5D0(D0为基准洞径)时,既有隧道的振动速度、振动加速度均随D的增大而增加,且基本呈线性关系;2.5D0≤D<3.5D0时,振动速度及加速度均急剧增大;D≥3.5D0时,振动速度、加速度随D的增加而减小。随两隧道间距的增加,既有隧道考察点的振动速度和加速度均减小;在距离相等时,掌子面未到达前的振动响应大于掌子面离开后的响应;相同爆破参数时,距离越远,受到的振动越小;同时起爆药量越大,受到的振动越大。随围岩的变差,既有隧道处的振动速度增大,振动加速度变化较小。根据不同影响因素与振动速度关系的规律,推导了包含隧道开挖洞径、进尺长度、上下交叉隧道净距、单位药量等参数的隧道开挖爆破振动速度计算公式,并由现场爆破振动监测验证了数值模拟的正确性。同时,针对不同影响因素,提出分部开挖、分段起爆、干扰减振等减小爆破振动影响的对策措施及选择原则,并指出爆破试验及爆破振动监测在近接隧道工程中的重要性和可操作性。