（道路与铁道工程专业论文）城市高架桥轨道结构型式振动及其传递特性的影响分析.pdf

中文摘要中文摘要摘要：随着社会经济的发展和科技水平的提高，高架桥上的轨道交通得到迅速发展，其导致的环境振动公害问题也越来越引起人们的重视。本文针对高架桥上浮置板轨道结构、减振器轨道结构和有碴轨道结构，着重分析了列车经过时桥梁的振动和传递特性及周围地面的振动状况，并对三种轨道结构进行了比较，为高架轨道交通的可行性研究和环境影响评价提供理论参考，同时也为城市轨道减振结构选型提供了理论依据。通过建立浮置板轨道一桥梁、减振器轨道一桥梁、有碴轨道一桥梁三维空间模型，进行模态分析，比较以上三种结构系统的自振特性。建立浮置板轨道桥梁、减振器轨道一桥梁、有碴轨道桥梁二维动力学有限元模型，在四级和六级轨道高低不平顺的条件下，模拟移动荷载以不同的速度通过高架桥时整个系统的动力响应过程，分别得到三种类型轨道下高架桥的振动特性及桥墩支座的反力，并进行了频谱分析。建立桥墩一土体二维动力有限元模型，通过施加单位脉冲荷载，分析土体振动传播特性，验证了模型的正确性。针对不同性质土体，施加浮置板轨道一桥梁、减振器轨道一桥梁、有碴轨道一桥梁结构系统瞬态分析得到的桥墩支座反力，分析由桥上不同轨道结构导致的振动在不同土质中的传播特性，并加以比较。关键词：减振器轨道；浮置板轨道；有碴轨道；振动；环境评价；a n s y s分类号：u 2 3 9 5a b s t r a c ta b s t r a c t ：a st h ed e v e l o p m e n to fs o c i a la n de c o n o m i ca n dt h er a i s eo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t y p e so fr a i lt r a n s p o r t a t i o no nv i a d u c ta r ed e v e l o p i n gr a p i d l y , b u tt h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o np r o b l e m si n d u c e db yv i b r a t i o na l s oh a v ed r a w np e o p l e sa t t e n t i o n s a i m e da tf l o a t i n gs l a bt r a c k , v i b r a t i o ni s o l a t i o nt r a c ka n db a l l a s tt r a c ko nv i a d u c t ，t h ea n a l y s i so fp a p e rf o c u so nt h ev i b r a t i o ns i t u a t i o n so fv i a d u c ta n ds u r r o u n d i n gg r o u n da n dt h et r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h ev i b r a t i o nw h i l et h et r a i np a s s i n gt h o u g h ，t h e nd r a wac o m p a r i s o no ft h et h r e et y p e so ft r a c k i tc o u l dp r o v i d eat h e o r e t i c a lr e f e r e n c en o to n l yf o r t h ef e a s i b l er e s e a r c ha n dt h ee s t i m a t i o no fe n v i r o n m e n t a li n f l u e n c e ，b u ta l s oat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h es e l e c t i o no ft y p e so ft r a c kf o ru r b a nr a i lt r a n s i t b ye s t a b l i s h i n gf l o a t i n gs l a bt r a c k - v i a d u c t ，v i b r a t i o ni s o l a t i o nt r a c k - v i a d u c t ，b a l l a s tt r a c k v i a d u c t3 dm o d e l s m a k em o d a la n a l y s i si no r d e rt oc o m p a r et h en a t u r a iv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h et h r e ed i f f e r e n tt y p e so ft r a c ks y s t e m s b ye s t a b l i s h i n gf l o a t i n gs l a bt r a c k - v i a d u c t 、v i b r a t i o ni s o l a t i o nt r a c k - v i a d u c t 、b a l l a s tt r a c k v i a d u c t2 dm o d e l s ，u n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h es i x t ha n df o u r t hg r a d eo ft r a c kv e r t i c a lp r o f i l ei r r e g u l a r i t y , m o d e l i n gt h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h ev i a d u c tw h i l et h em o v i n gl o a d sp a s s i n gt h r o u g l it h ev i a d u c ta td i f f e r e n tv e l o c i t i e s ，w ec a ng e tt h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fv i a d u c ta n dt h er e a c t i o nf o r c e so ft h ep i e r s ，a n da l s om a k et h es p e c t r u ma n a l y s i s b ye s t a b l i s h i n gp i e r - s o i l2 df i n i t ed y n a m i ce l e m e n tm o d e l ，a c ta nu n i ti m p u l s el o a do nt h em o d e lt oa n a l y z et h es p r e a d i n gv i b r a t i o np r o p e r t i e so fs o i la n dv e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h em o d e l a c t i n gt h er e a c t i o nf o r c eo fp i e r sg e tf r o mf l o a t i n gs l a bt r a c k - v i a d u c t ,v i b r a t i o ni s o l a t i o nt r a c k - v i a d u c ta n db a l l a s tt r a c k - v i a d u c to nt h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so fs o i lt oa n a l y z ea n dd r a wt h ec o m p a r i s o n so ft h es p r e a d i n gp r o p e a i e so fv i b r a t i o nc a u s e db yd i f f e r e n tt y p e so ft r a c ks t r u c t u r e s k e y w o r d s ：v i b r a t i o ni s o l a t i o nf a s t e n e rt r a c k ；f l o a t i n gs l a bt m c k ；b a l l a s tt n c k ；v i b r a t i o n ：e n v i r o n m e n t a li n f l u e n c ee s t i m a t i o n ：a n s y sc i a s s n 0 ：u 2 3 9 5学俊论文叛权使耀授权书本掌豫论文终者完全了掰l 素交逶大学鸯美爨鏊、建焉学霞论文豹翘囊。黪授衩簸容交通大学可激将学德论文静全部或鄢分内容编入夺关数据蓐遴季亍稔索，并采用彩印、缩邸或扫描等笺稍手段保存、汇编敬供蠢阕和稽阕。黼慧学校商餐家有关郯门蠛援构送交论文瓣笺零馋和磁盘。( 保密的学健论文在解鬻聪适用本授权说明)学位谚文髂爱签名；签字强矮：年月基尝龉签名：蘑然字爨麓：1 零跏月善，匿独创性声明独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：8 7签字日期：年月日致谢本论文的工作是在我的导师谷爱军副教授的悉心指导下完成的，谷老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来谷老师对我的关心和指导。谷老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向谷老师表示衷心的谢意。在实验室工作及撰写论文期间，张宏亮、侯江华、徐田坤、刘冰等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。城铁线路振动对周围环境影响综述1 城铁线路振动对周围环境影响综述1 1研究的背景及意义自1 9 7 1 年北京开通第一条地铁线路以来，目前城市轨道交通在我国大城市正在迅速发展，北京、上海、广州、南京等城市的轨道交通已投入使用，在深圳、青岛、重庆等城市的轨道交通也正在建设中，还有许多大、中型城市即将兴建城铁，以舒缓日益紧张的城市交通压力。城铁线路一般通过建筑物众多的市区，与既有建筑物或桥梁交叉，由于结构物在设计时除抗震设防外并未考虑城铁线路的振动对其产生影响，而且地铁隧道一般埋深都相对较浅，列车运行时产生的振动将通过轨道传递给隧道支护结构，并通过隧道支护结构以外的岩土介质传播到地面，就会引起地面的振动。桥梁一墩台一土体结构系统的振动通过周围地层向外传播，进一步诱发附近建筑物的二次振动，对居民的工作和日常生活产生了很大的影响。近年来，振动引起的问题越来越多，社会反响也越来越大。其主要原因是城市建设的迅猛发展，多层的高架道路、地下铁道、轻轨交通正日益形成一个立体空间交通体系，从地下、地面和空中逐步深入到城市中密集的居民区、商业中心和工业区。随着交通密度不断增加，荷载部分地加重，使得由交通车辆引起的振动和噪声的影响日益增大。其次是由于人们环保意识的加强和对生活质量的要求提高，在过去可能不会引起公众反应的振动和噪声问题现在正越来越多地引起强烈反应。再就是随着高科技的发展，电子产品及高精度精密仪器的使用，对建筑物内的振动控制要求也越来越高，由此产生的振动控制问题也越来越多。其中一些最典型的例子就是国内北京西直门附近距铁路约1 5 0 米处一座五层楼内的居民，当列车通过时可感到室内有较强的振动，一段时间后，室内家具由于振动而发生了移位的现象。正在建设中的北京地铁四号线，因规划穿过北京大学理科实验基地，由于地铁列车所引起的振动大大超过了实验室内精密仪器的振动允许范围，将严重干扰实验工作的进行，现已对地铁四号线的工作产生了严重影响。拟议中的西直门至颐和园轻轨快速交通系统可能对附近文化和科研机构产生的振动和噪声影响、地铁南北中轴线可能对故宫等古建筑产生振动影响、拟建的京沪高速铁路沪宁段可能产生的高速列车对苏州虎丘塔的振动影响等；在国外，同本东京市内的交通道路很多己达到血至七层之多，而离建筑物的最短距离卿p j , n 只有几米。捷克轨道交通线附近，砖石结构的古建筑因车辆通过时引起的振动而产生裂缝，北京交通大学硕士学位论文其中布拉格、哈斯特柏斯和霍索夫等地甚至发生了由于裂缝不断扩大导致古教堂倒塌的恶性事件。如此类似的事情在其他的大城市里也时有发生。所有这些都对交通车辆引起的振动和噪声及其对周围建筑的影响的研究提出了新的要求，同时也给众多学者及科研工作者提出了更多的挑战。近年来，轻轨交通在世界范围内均得到迅速的发展，已有超过4 0 0 多条已建的轻轨铁路，此外还有1 0 0 多条拟建的轻轨铁路。轻轨交通的线路多采用高架桥的形式，桥梁结构日趋轻型化而桥梁的跨度越来越大。列车运行速度不断提高，使得列车和桥梁问的动力作用加剧，车桥响应加强。因此，对列车与桥梁相互作用的耦合系统进行综合研究，分析和评估桥梁、车辆的动力性能，以保证桥梁正常使用和列车运行安全，就成为轻轨建设中须着重研究的课题，越来越被人们所重视。针对城铁线路的振动及其对周围环境产生的影响这一问题，在一些发达国家早已引起人们的注意，并且将振动列为七大环境公害之一，并对其进行实验研究。在我国，随着经济的发展和人们生活水平的提高，振动问题也渐渐引起了人们的注意，对振动及控制问题的研究尚需进一步深化。因而，开展城铁线路的振动及其对临近结构物和人的影响研究是非常重要的，同时也是非常迫切的。1 2国内外轨道减振措施研究现状轨道结构包括钢轨、扣件、轨下基础及其他相关设备( 如车档、防脱轨装置等) 。其中钢轨、扣件和轨下基础对减振降噪的关系最为密切。减振轨道结构，主要是对这3 个部分进行优化，以达到减振降噪的目的。轨道结构的设计原则“少维修，高弹性，减振降噪”。根据国内外经验，只有根据具体线路情况，采用综合性减振措施，才能取得显著效果。在对轮轨相互作用动力学分析的基础上，各个国家也都从轨下隔振、枕下隔振、道床下隔振采取一系列的措施来降低轨道交通产生的振动和噪声。联邦德国在一座轻轨铁路隧道内对5 种不同的道床系统进行了比较，发现各种道床系统的振动阻尼相差甚远，在道碴内轨枕上用c o l o g n e - e g g 扣件的阻尼效应为1 0 1 5 分贝，有道碴下垫层和浮置轨道板的阻尼效应可高达3 0 分贝，但是阻尼效应只在某段频率范围内有效。目前，国内外轨道振动和噪声控制措施主要有如下几个方面：1 重型钢轨与无缝线路采用无缝线路，即将标准轨焊接成长钢轨，减少钢轨接头数量，从而减少接头处轮轨冲击引起的振动与噪声。据有关调查显示，无缝线路较有缝线路可降低噪声约1 0 d b 。2 轨道减振器扣件2城铁线路振动对周围环境影响综述在对振动和噪声敏感的区域，为降低由轨道结构所产生的振动，现今世界上在轨道设计中通用的方法有2 种：一是提高弹性支撑轨道结构的质量；一是降低支撑的刚度。轨道的刚度愈小，周围环境的谐振频率亦愈低，减振的效果也就愈好。以前的轨道减振降嗓系统，在提供较大的竖向位移的同对，也产生了难以接受的轨头横向移动。铁道部科学研究院与北京市城建研究院就几种常用轨道减振型扣件进行了研究，方法为捶击法，结论为：同样荷载下，咖型扣件在6 0 1 6 0 i - i z 频段加速度传递函数值较d ti 型扣件减少5 1 0 分贝。d t l v 型扣件传至道床加速度值是d ti 型扣件的5 5 2 。在4 0 1 2 0 i - i z 范围内振动降低1 0 分贝左右，2 0 0 4 8 0 h z 范围内振动降低约1 7 分贝，d f - 9 0 型扣件道床加速度传递函数值较d ti 型扣件减少1 5 3 0 分贝，较d 砌型扣件减少1 0 2 0 分贝。以下介绍几种目前应用成熟的轨道减振器扣件。c o l o g n e e g g 弹性扣件是在减振要求较高地段采用的轨道减振器扣件( 图1 - 1 ) 。该扣件的承轨板与底座之间用减振橡胶硫化粘贴在一起，利用橡胶圈的剪切变形获得较低竖向刚度。我国北京、上海和广州地铁中普遍应用，减振效果约7 8 d b 。幽1 - 2 嵌入删v a n g u a r d 扣1 j ，i ：系统f i g l - 2e m b e d d e dt y p ev a n g u a r df a s t e n e r3幽1 - 3 底板犁v a n g u a r d 扣什f i g l - 3s o l e p l a t et y p ev a n g u a r df a s t e n e r北京交通大学硕士学位论文v a n g u a r d 扣件是英国潘得路( p a n d r 0 1 ) 公司的专利技术，与传统扣件最大的不同在于，钢轨通过弹性部件( 橡胶楔块) 支撑轨头下及轨腰两侧( 普通扣件通过扣压轨底实现对钢轨横向位置的控制) ，使钢轨工作时轨底处于悬空状态。利用这一特点形成较小的动态刚度，过车条件下的竖向位移大于3m m ，以此达到高效减振、降噪的效果。v a n g u a r d ( 先锋1 扣件系统可允许轨道在竖向产生大的位移，而且，尽管该系统在横向上也是一种弹性结构，但与传统的扣件系统相比，它与轮轨之间的相互作用更靠近轮轨接触线，因而能将钢轨的扭动降低到最小的程度。广州地铁三号线采用底板型v a n g u a r d 减振扣件。现有的v a n g u a r d 减振器扣件系统有两种型式底板型和嵌入型。两种型式均具有很低的刚度，达到高效的减振效果。嵌入型v a n g u a r d 扣件系统结构如图1 2 所示，主要部件有：橡胶楔块、侧挡板、铸铁锁紧楔块、挡肩。其次还有锁紧弹条、锯齿状可调垫圈、防撞垫板。底板型v a n g u a r d 扣件系统结构如图1 - 3 所示，主要部件有：橡胶楔块、侧挡板、铸铁锁紧楔块、活动挡肩。3 减振型轨下基础( 1 ) l 、，r 无碴轨道结构最高速度2 0 0 k m h 的英吉利海底隧道通过多种无碴轨道结构比选，采用了弹性支承块轨道( l o wv i b r a t i o nt r a c k ，简为l v t ) 。瑞士国营铁路首次采用弹性支承块式无碴轨道结构( l v t - - l o wv i b r a t i o nt r a c k1 ，根据瑞士联邦铁路的轨道检查记录显示，运营了l 7 年的轨道几何状态仍可保持在标准范围之内，最大限度地减少了轨道的维修工作量。由于其特有的减振、降噪、减磨等优越性能，后来被世界上许多国家所采用。北京地铁于1 9 7 2 年在东四十条站铺设了这种轨道，现场测试较一般整体道床振动加速度降低3 0 ，减振效果好，经过2 0 年运营使用，技术状态良好。( 2 ) 浮置板式轨道结构最早采用浮置扳式轨道结构的是联邦德国。德国先开发了有道碴的浮置板轨道结构，在多特蒙德( d o r t m u n d ) 的一座轻轨铁路隧道内铺设了试验段。此后，在科隆地铁和波鸿至穆尔海姆轻轨铁路及迪塞尔多夫的轻轨铁路上铺设了无碴浮置板式轨道。由于其良好的减振降噪性能，这种结构在华盛顿、亚特兰大、多伦多、布鲁塞尔均有铺设。我国第一次采用浮置板式轨道结构的城市轨道交通线路是广州地铁一号线。浮置板轨道结构的减振降噪效果最好。据联邦德国有关部门测试，有道碴下挚层和浮置板式的轨道结构其阻尼效应可达3 0 d b ，且在垂直荷载2 0 1 0 0 变化范4城铁线路振动对周围环境影响综述围内其隔振的效果几乎保持不变。浮置板轨道结构按照板下弹性阻尼元件可分为钢弹簧支撑浮置板和橡胶支撑浮置板两种。1 1 橡胶支撑浮置板按橡胶支撑方式可分为整体支撑、线形支撑、分布式支撑浮置板三种。点式支承( p o i n tb o l s t e r )图1 - 4 橡胶浮置板的三种支承型式f i 9 1 - 4t h r e eb o l s t e rt y p e so fr u b b e rf l o a t i n gs l a b整体支撑浮置板在瑞士的日内瓦、法国的格勒诺布尔、西班牙的马德里、意大利的米兰、罗马、德国的慕尼黑、法国的南特、里昂、斯特拉斯堡，西班牙的巴伦西亚地铁和德国、比利时、意大利、奥地利、瑞士铁路中采用，其优点是构造简单，施工速度快，施工误差小，隧道仰拱( 基底) 和道床受力均匀，支撑面积大，可以很好地抵抗轨道纵向力和横向力，缺点是橡胶材料用量大，可维修性差，其隔振效果在2 0 d b 左右。线形支撑在德国的波恩、多特蒙德、埃森、慕尼黑地铁中采用，其优点是较整体支撑节省材料，轨道结构的固有频率较低，其隔振效果在2 5 d b 左右。分布式支撑在德国的波恩、汉堡、慕尼黑、纽伦堡、美国的亚特兰大、加拿大的多伦多、新加坡、我国的香港和广州地铁中采用。其特点是抵抗轨道纵向力和横向力能力差，为了限制变形，必须使剪切模量、弹性模量、挚板厚度、挚板大小十分匹配，但是如果设计合理，轨道结构的固有频率低，减振效果较好，维5北京交通大学硕士学位论文修方便。采用凹槽对橡胶垫板进行定位，能有效地提高浮置板的稳定性，其隔振效果在3 0 d b 左右。最近，由中国船舶重工集团公司第7 1 1 所研制的一种新型橡胶浮置板隔振系统，通过在轨下道床下安装隔振器，将整个道床浮动放置，从而有效地降低轨道结构噪声的传递。减振效果优于国内相关产品，与德国隔而固的相关产品相当。其结构与钢弹簧浮置板类似，其下层采用橡胶减振器代替了金属弹簧，消除了金属弹簧的明显驻波效应，它能根据设计要求对垂向、纵向和横向刚度进行设计。2 1 钢弹簧支撑浮置板钢弹簧浮置板与橡胶支撑浮置板相比，弹簧支撑浮置板的主要优点是隔振频率低，可维修性好。采用螺旋弹簧支撑的浮置板轨道其固有频率很低，可达4 - - 8 h z 。虽然螺旋弹簧几乎没有什么阻尼作用，但是由于浮置板较重，列车通过时引起浮置板的振动加速度较小，因此浮置板支撑阻尼作用对路基的影响较小。如果要利用阻尼减小浮置板的振动，可安装与螺旋弹簧并联的粘滞阻尼器，浮置板减振效果更好。采用螺旋弹簧浮置板轨道具有以下特点：浮置板与隧道地板之间只需要很小的缝隙：浮置板的钢筋混凝土可以现场浇铸；借助简易工具便可抬起浮置板或调整浮置板高度；从浮置板表面可以随时更换弹簧；从浮置板表面可以随时检修或校正线路不平顺；通过调高螺旋弹簧的高度，就可消除线路沉降引起的不平顺；通过对弹簧表面特殊处理及弹簧强度储备，弹簧寿命可以延长；浮置板轨道可以做的比较长，减少连接，降低成本。钢弹簧浮置板根据弹簧安装的位置，可分为内置式和侧置式两种结构，如图1 5 所示。侧置式( s i d e - p l a c e d )幽1 5 钢弹簧浮置板结构的两种颦式f i g l - 5t w ot y p e so fs t e e l s p r i n gf l o a t i n gs l a bt r a c k6城铁线路振动对周围环境影响综述4 其他减振降噪方式( 1 ) e d i l o n 钢轨埋置式板式轨道结构荷兰e d i l o n 公司研制了一种以纵向连续支承取代传统的分散点支承、增加7轨底支承系统应力水平的埋置式轨道结构。从1 9 7 6 年开始，荷兰就铺设了埋置式轨道结构( e m b e d d e dr a i ls t r u c t u r e ，简为e r s ) ( 图1 6 ) 。实践证明，由于这种轨道结构在钢轨周围使用了一种称为e d i l o nc o r k e l a s t 的材料，取得了较好的隔声和隔振效果。该类型的轨道结构使用2 0 年来，养护维修工作量相当少。图1 - 6 埋入式轨道结构f i 9 1 6t y p co fe m b e d d e dt r a c ks t r u c t u r e( 2 ) 减振降噪型钢轨图1 7 减振降噪型钢轨f i 9 1 7t y p eo fl o wv i r b r a t i o nr a i l当列车车轮滚过钢轨顶面时，由于钢轨腹板的厚度较薄，轨腰产生振动，这一振动向空气辐射而产生噪声。为了最大限度地减小钢轨腹板振动引起的噪声，在钢轨腹部粘贴了减振橡胶，如图1 7 所示。一般是在钢轨腹部粘上橡胶后再粘上一钢板，以增加振动质量，起到衰减作用。要求使用高阻尼橡胶增大振动衰减作用，达到降噪目的。这一装置的关键之一是橡胶与钢轨、橡胶与铁板之间要有较好的粘结性。如果粘结界面脱开，则减振效果大大降低。1 3国内外轨道结构减振理论与试验分析城铁线路振动主要是由轮轨之间的相互作用引起的，再经轨道结构、路基、隧道或高架结构物、线路周围的土壤传播至临近的建筑物，导致二次振动，从而对周围环境以及室内的设备产生影响。城铁振动对周围环境的影响主要是从振源和传播途径上加以研究的，目前国内外众多学者及科研工作者用试验测试分析和理论分析方法在这两方面都做了一些研究。7北京交通大学硕士学位论文在美国gew i l s o n 等【1 】针对铁路车辆引起的噪声和振动，提出了通过改善道床结构形式( 采用浮板式道床) 和改革铁路车辆转向架构造以减少轮轨接触力来降低地铁车辆引起的噪声和振动的建议。lgk u r z w c i l 等【2 l 贝研究了地铁列车的振动波在不同地层中的传播路径、衰减特性以及附近建筑物的二次振动闯题。在日本，由于振动环境污染非常严重，在其“公害对策基本法”中，在明确振动为七大典型环境公害之一的同时，规定必须采取有效措施限制振动。在“限制振动法”中，特别对交通振动规定了措施要求，以保护生活环境和保护人民的健康。为此，t f u j ik a k c 等1 3 】就交通车辆引起的结构振动发生机理、振动波在地下和地面的传播规律及其对周围居民的影响进行了研究，提出了周围环境振动水平的预测方法。在捷克，针对在交通线附近的古建筑因车辆通过引起的振动而产生裂缝甚至导致古建筑倒塌等严重问题，m b a t a 等【4 l 进行了现场测试和调查，通过对实测数据的统计分析，主要从降低行车速度、减轻荷载重量、提高路面平整度等方面提出了减少振害的措施。在西班牙，g v o l b c r g 等【5 j 通过对几种不同场地土的测试结果的统计，分析了列车引起的地面振动波的传播和衰减规律。在意大利，f c d c r i c or o s s i 等1 6 1 提出了一个简单的列车引起环境振动预测模型，并用试验检测点值对预测值进行了验证。在挪威，c m a d s h u s ，b b e s s a s o n 等【7 】根据不同线路周围的不同土壤条件、建筑物类型实测的大量数据建立了以土壤条件、列车类型、线路质量和路堤设计、车速、线路与建筑距离、建筑基础结构和楼层数六种影响因素的预测线路周围低频振动的经验模型。在瑞典，c h r i s t o f f c r , m c h d ib a h r e k a z c m i 等【8 i 对初期设计阶段因线路引起的振动预测经验模型e n v i b 0 1 进行了验证。由于实测数据拟合模型的局限性，数字模型的建立研究随着计算机的广泛运用得到了迅速的发展。在意大利，r p a o l u c c i ，am a f f c i s 等1 9 1 利用x - 2 0 0 0 型客车在i 七d s g a a r d ，s w e d e n等地的实测数据，根据当地土层条件分别建立了2 d 、3 d 线路土壤数字模型，通过计算值与实测数据进行比较，对数字模型的假设给予了详细地讨论。我国在振动传播机理方面，以兰州铁道学院和北京地铁科研所为主进行了几次地铁区问隧道列车振动测试与分析，1 9 8 5 年潘昌实和刘维宁【1 0 】在西安延安线东坡隧道进行了列车振动测试和有限元动态响应分析。1 9 8 8 年潘昌实和谢正光【1 1 l 在北京地铁崇文门一前门区间进行了列车振动测试，根据轨道加速度测试数据和分析车辆体系的振动，得到了列车荷载的模拟数定表达式，并利用有限元进行8城铁线路振动对周围环境影响综述了振动响应分析。1 9 9 0 年潘昌实和李德武等【1 2 1 又在北京地铁木犀地一军博区间进彳亍了列车振动实验。1 9 9 3 年张玉娥、潘实昌【n 】北京地铁木犀地一军博区间进行了列车振动实验，利用现场测试钢轨振动加速度值和地面测点振动位移值，通过数值分析，得到列车荷载数定表达式。比较了有限元模型和有限元与无限元耦合模型，在时域上对地铁列车振动进行分析。1 9 9 6 年崔正翔掣1 4 】以南京地铁南北线一期工程对地铁隧道为背景，利用类比实测的振动衰减数据拟合曲线来建立预测模式，对振动引起的地面环境的影响预测进行了研究。根据所得的预测值得到主要结论：车速加快则引起车轮于钢轨的撞击愈烈，振级亦相应增大；振波在土体1中衰减较快，在土体2 中衰减较慢，基岩层的阻尼因子极小，不利于振动衰减，故振级较高。在数值分析研究中，隧道地层的有限元模型多为平面模型。1 9 9 6 年刘维宁掣蚓首先建立了列车一轨道耦合系统动力分析模型，由数值模拟分析，得到作用于道床底部的列车荷载激励曲线，然后再将列车动荷载加在垂直于线路平面的隧道一地层的有限元模型上，采用动力有限元法，得到主要结论：离开地铁隧道中心线一定距离的地表范围内，存在一个振动放大区，并且存在一个地层响应的主要频带，在此范围以内的地面建筑如果其振动周期接近这一频带，则会受到过往地铁车辆振动的影响。1 9 9 9 年王逢朝等1 1 6 1 为考察隧道埋深变化对建筑物的影响，分别计算了隧道深度为7 8 m 、1 1 8 m ，1 5 8 m 、1 9 8 m 、2 3 8 m 五种情况下坐落于离中心线6 0 m 处建筑物各层的振动情况，得出结论：无论是建筑物的水平振动幅度还是竖向振动幅度均随隧道深度增大而逐渐减小，同时隧道深度对建筑物水平振动的影响要比竖向振动的大。同年杨光辉【1 7 1 在其硕士论文中，给出了谐和线荷载作用下，弹性半空间地表面上位移的解析解，然后通过对列车运行所引起的地面加速度的实测数据的处理，得到了列车运行所引起的地面加速度的衰减规律，运用复合回归法得到了计算地面加速度的经验公式，同时推导了二个实用衰减计算公式。最后运用有限元方法建立二维动力模型，得到了不同土层时地面位移、加速度的变化规律，列车不同速度下地面加速度的变化规律，一定速度下列车运行所引起的地面加速度变化规律及对周围建筑物的影响。2 0 0 3 年陶连金、李晓霖等1 1 8 】以地铁车站间的隧道为研究对象，用快速拉格朗日有限差分法软件f l a c建立了二维数值分析模型，并以列车振动加速度时程作为模型输入，进行了隧道衬砌她层的整体动力学分析，分析了列车产生的振动在地面的衰减规律，得出两列列车交会时，地铁隧道正上方地面水平方向振动最小，垂直方向振动最大的结论。2 0 0 5 年由广明、刘维宁【1 9 l 以北京地铁5 号线崇文门车站下穿既有地铁2号线区间隧道为背景，研究了上下交叠地铁区间隧道与车站在列车同时通过时，其振动对周围环境的影响。根据5 号线崇文门车站与2 号线区l 日j 隧道的空| 、日j 相对9北京交通大学硕士学位论文位置，建立了三维弹塑性有限元模型；采用车辆一轨道耦合动力学模型，得到作用于道床底部的列车动载；根据各种可能的列车荷载组合，分别研究了l 5 种动载组合情况下地表振动的规律。在减振设计方面的研究上，梅早临、耿传智等【研针对轨道结构的减振性能与其固有频率有关，对轨道结构的动力特性进行更深入的研究，运用a n s y s 建立了浮置板轨道模型，并针对板下不同支撑刚度及不同长度进行了振动模态分析，得到了该系统的振动动力特性( 固有频率、振型) 。卢建1 2 l 】在其硕士论文中，针对列车引起的振动对周围建筑物的影响问题进行了现场试验研究，并进一步用数值方法对这一问题进行了模拟分析，对相关因素的影响规律进行了探讨。并对一种新型的梯形轨枕轨道结构隔振方法进行了试验研究，并应用数值分析方法对轨道结构隔振和隔振沟隔振方法的效果进行了初步探讨。姚京川、杨宜谦等1 2 2 j ，为了研究浮置板轨道减振降噪的效果，运用a n s y s 建立了车辆稃置板轨道耦合模型，重点对浮置板式轨道结构的固有频率和隔振效果进行了有限元计算分析，从计算结果中总结出浮置板式轨道结构的基本动力特性如下：( 1 ) 钢轨位移基本随车速和车辆载荷的增大而增大，随着浮置板板下橡胶支座动刚度的增大而减小；( 2 ) 车速一定的情况下，随着浮置板质量的增加，隔振效率也随之增加；随着板下橡胶支座动刚度的增加，浮置板隔振效率减小；( 3 ) 在相同计算条件下，浮置板的隔振效率在5 0 左右，而普通整体道床隔振效率在2 0 左右，前者大约是后者的2 5 倍。另外，针对现在室内精密仪器使用对环境的振动要求也越来越高，目前我国在精密仪器对环境振动的要求方面尚无制定的标准可参考，因此在此方面的研究也处于空白状态。孙晓静、刘维宁等【纠从理论上综合地探讨地铁振动对精密仪器和设备影响的表现，并给出采用综合减振措施建议，提出综合治理及减振措施设计原则，为减振措施的选取和设计提供了参考。综述以上的研究成果，线路振动对周围环境的影响以1 0 h z 以下的振动为主，地面在振源的正上方振幅为最大值称为第一峰值，达一定距离后出现一个极小值，而后又出现一个放大区，出现第二个峰值，然后沿水平距离的增加呈逐渐衰减的规律。周围建筑物振动随着隧道埋深增大，各层的振动有所减小；随着距离隧道中心线越远，其振动也逐渐减小；各层振动由下而上逐渐增大。浮置板轨道结构是目前主要减振措施之一，在车速一定的情况下随着浮置板质量、厚度的增加，隔振效率也随之增加；随着板下橡胶支座动刚度的增加，浮置板隔振效率减小。1 4今后尚需要进行的研究工作当前，在高架桥线路研究方面，由于列车经过时引起的振动经由轨道传至桥1 0城铁线路振动对周围环境影响综述梁，引发桥梁的二次振动，对周围环境的影响研究还只是处于试验测量研究阶段。针对地铁列车引起环境振动方面，还只限于对振动规律及对建筑物振动水平的探讨，要想真正将研究成果运用于实际中还需从减振措施方面进行深入研究，方能达到使用要求。今后尚需重点研究减振措旅对环境振动水平的控制。从轨道结构、基础( 如：桥梁结构、隧道结构) 、传播途径三方面的具体设计上对周围环境影响进行研究。目前轨道结构方面研究较多，对于轨道交通振动的环境研究重点也是放在轨道系统上，希望通过优化轨道系统结构来减小和控制结构振动及其传播的影响。浮置板轨道的减振效果尤为显著，在特殊要求的减振地段应用广泛：减振器扣件式轨道结构因扣件的垂直刚度较低，而且不会过度牺牲钢轨的横向稳定性，对一般减振要求的地段有很好的效果。上述两种轨道结构在地面线和地下线的减振效果已经毋庸置疑，但高架桥是城市轨道中一种较为特殊的结构，因受桥粱挠度及自振频率限制，铺设在高架桥后对周围土体振动状况还有待研究。这也是本文将要研究的内容。在传播途径方面的研究国内外几乎处于空白状态，对减振沟、w m 措施的研究方才起步。根据在台湾新干线穿越台湾科学工业园的案例【2 4 】中，h i r o k a z ut a k e m i y a 提出了一种全新的蜂窝状w m 法，研究表明在有影响的3 - 5h z 范围内减振效果预计至少为l o d b ，甚至更大，可见在此方面具有很大的研究价值。目前对土壤弹性半空间的模拟还只是将土体看作有限空间，周围多采取弹性边界、粘弹性边界、透射边界等，波的传播较以往的固定约束边界有了许多进步，但是离真实反映土体的无限边界仍相差一段距离。如何模拟土体的无限边界仍是急需解决的一个重要问题。此外，城铁线路振动对周围建筑物的影响还与建筑物本身的基础形式、结构设计有关，在此方面还应有深入的研究，总结合理的规律供城铁周围建筑设计参考。城铁线路振动对建筑物内设备仪器的影响主要是以i o h z 以下低颏为主，因此针对此范围内各种频率的振动对建筑物各楼层的具体影响还需研究。1 5本文所做的主要研究工作针对浮置板轨道、减振器轨道和有碴轨道结构铺设在高架桥上，着重分析在列车经过时桥梁的振动特性及周围地面的振动状况，并对这三种轨道结构的计算结果进行比较，以便为城市轨道减振提供理论依据。本文所做的工作如下：1 论述了研究城市轨道交通线路振动对周围环境影响的背景及意义；总结了城市轨道交通减振所采用的措施，国内外轨道结构减振理论与试验分析现1 1北京交通大学硕士学位论文状；提出了城市轨道交通减振中尚需进行的研究工作。2 分别介绍了浮置板轨道、减振器轨道、有碴轨道桥梁结构，并对结构系统进行有限元建模分析。3 。建立浮置板轨道、减振器轨道、有碴轨道桥梁三维模型，进行模态分析，分析三种结构系统的自振特性。4 建立浮置板轨道、减振器轨道、有碴轨道桥梁动力学二维有限元模型，在各种不平顺条件下，模拟列车以一定的速度通过高架桥时系统的整个动力响应过程，分别得到相应的三种轨道下高架桥的振动特性及桥墩支座的反力，并进行频谱分析。5 建立桥墩一土体动力二维有限元模型，先施加单位脉冲荷载，分析土体振动传播特性，验证模型的正确性。再施加浮置板轨道、减振器轨道、有碴轨道桥梁结构系统得到的桥墩支座反力，分析桥上不同轨道结构的减振效果。最后通过改变土体材料参数，分析不同土质对振动衰减的影响。本文创新点：将轨道一桥梁一土体比较全面、综合地进行考虑，建立了符合实际情况的系统的动力有限元模型，详细地分析了桥上各种轨道结构引起的振动对基础和周围环境的影响。本文所做研究可应用于列车振动引起的环境影响评价，为桥上轨道结构选型提供理论依据。轨道桥梁动力系统力学模型分析2 轨道桥梁动力系统力学模型分析目前，对于高架轨道交通振动的环境研究重点是放在轨道系统上，寄希望通过优化孰道系统结构来减小和控制车辆振动及其影响。为了实现这个目标，入们引入了弹性轨道系统，例如浮置板轨道。这种系统的减振效果尤为显著，故而逐渐得到广泛应用。此外，减振器扣件式轨道结构因扣件的垂直刚度较低，而且不会过度牺牲钢轨的横向稳定性，对高架桥线路的减振有很好的效果，故而引起人们的重视。本文将针对这两种减振型轨道结构，着重分析在列车经过时周围地面的振动状况，以便为城市轨道减振提供理论依据。桥上轨道交通引起的环境振动的分析涉及到车辆、轨道结构、桥梁、支架结构、基础和地基组成的复杂体系。为简便地模拟计算耦合系统中地面的振动状况，可以将整个耦合系统分解成两个相互联系的子系统：沿线路中心线方向的轨道一桥梁耦合系统和垂直于轨道中心线的桥墩土体耦合系统。本文旨在研究城市高架桥梁上不同轨道结构振动状况的比较，故以下将首先介绍三种不同轨道结构的子系统模型，便于对全文中研究模型作初步的了解，同时也为后文的理论数值计算分析作基础。2 1三种轨道桥梁模型简介2 1 1减振器轨道桥梁结构减振器轨道结构是利用轨道减振器扣件将钢轨直接固定在桥梁上的种轨道结构。它是城市轨道交通高架桥上的一种特殊轨道结构，国内外大量实验表明，此类减振器的减振性能介于一般扣件与浮置板之间，因而得到广泛的使用。轨道减振器是国内轨道减振部件的新形式，能有效地减少振动与噪声。根据减振原理，结合轨道交通特点，确定外形为椭圆形。减振器的刚度越小，由钢轨到结构底板的振动传递率也越小。但刚度值过小，会影响轨道的稳定性和列车安全运行。另外，橡胶反复变形过大，也容易疲劳老化。根据北京地铁实测资料，轨下支撑点所受的动载，平均最大值为3 2 k n ，考虑垂直变形2 5 m m ，所以确定轨道减振器垂向静刚度为8 0 k n l c m 。在实际计算中，通常将扣件简化成垂向刚度较低的弹簧，其计算模型如2 - 1所示：北京交通大学硕士学位论文图2 - 1 减振器轨道桥梁模型计算简图f i 9 2 1v i b r a t i o ni s o l a t i o nf a s t e n e rt r a c k - v i a d u c tm o d e l2 1 2浮置板轨道桥梁结构浮置板轨道结构是将整体道床与基础结构分离，将具有足够刚度和质量的道床板浮置于弹性元件上所构成一种轨道结构。其基本原理就是在轨道上部建筑和基础之问插入一个固有频率很低的线性谐振器，从而达到减振目的。浮置板式轨道结构最早由德国科隆地铁采用，由于其良好的减振降噪性能，这种结构逐渐在世界各地被广泛采用。浮置板轨道结构根据板下弹性阻尼元件可分为橡胶支撑浮置板和钢弹簧支撑浮置板两种。钢弹簧支撑浮置板结构的道床结构为连续现浇钢弹簧隔振器短轨枕式( 或无枕式) 整体道床，由钢筋混凝土板和金属弹簧隔振器组成，形成质量一弹簧体系。因此，混凝土板要有足够的质量，钢弹簧要有较低的刚度和较大的阻尼因子。该结构型式是引进德国先进技术，已在许多地铁工程中穿越市区中心的特殊减振地段铺设，试验表明可降低2 0 3 0 d b 。在实际计算中，通常都是将扣件和浮置扳下弹性支撑块简化为弹簧阻尼元件，其计算模型具体如图2 - 2 所示：1 4轨道桥梁动力系统力学模型分析图2 - 2 浮置板轨道桥梁模型计算简图f i 9 2 2f l o a t i n gs l a bt r a c k - v i a d u c tm o d e l2 1 3有碴轨道桥梁结构有碴轨道结构是将钢轨安装在铺设有道碴的轨枕上的一种轨道结构，在各国采用普遍。本文中介绍此轨道桥梁结构，以便能同上述减振器轨道和浮置板轨道桥梁结构作比较。其计算模型如图2 - 3 所示。图2 - 3 有碴轨道桥梁结构计算简图f i 9 2 - 3b a l l a s tt r a c k - v i a d u c tm o d e li 一一墩l i j樽_ = u檄二二u墩u北京交通大学硕士学位论文2 2 桥墩一土体模型简介桥墩一土体模型是根据桥梁支座以下部分( 墩、台、桩) 与周围土体建立的耦合动力学模型，其计算模型如2 - 4 所示：图2 - 4 桥墩一土体模型计算简图f i 9 2 - 4p i e r - s o i lm o d e l在使用过程中对模型作以下简化：( 1 ) 忽略土的材料非线性，将其看作线弹性材料。土是一种非常复杂的非线性材料，要精确模拟它是很困难的，不过由于铁路交通系统引起的环境振动振幅不大，相应土层的变形也很小，在这种小变形低应力的条件下，把土层材料近似看成线弹性体还是可以的