（光学工程专业论文）板式无砟轨道交通引起的环境振动研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 摘要 长期以来我国铁路列车的运行速度比较低，环境振动问题没有引起足够重 视，对铁路交通环境振动的研究仅限于在城市铁路交通线附近的现场实测研究 和少量的理论探讨，高速条件下和无砟轨道条件下的环境振动问题的研究更是 凤毛麟角，远远滞后于当前我国铁路交通的发展。因此，急需建立完善的理论 分析方法，搞清铁路交通环境振动的传播规律和影响因素，开发经济有效的环 境振动控制措施，为我国铁路交通的跨越式发展提供技术支持。 故在回顾和分析国内外环境振动研究历史和现状的基础上，主要针对路堤 线路条件和地铁线路条件下的环境振动，围绕板式无砟轨道，分别用解析方法 和数值方法建立了比较完善的环境振动三维分析模型。模型中综合考虑了列车、 轨道、地基、隧道、框架结构等因素对环境振动的影响，研究了铁路交通引起 的地面和线路附近框架结构的振动特征及振动控制措施的效果。 在轨道和地基动力学方程波数域求解理论的基础上，建立板式轨道交通在 移动轴荷载列作用下的地面振动解析分析模型，模型对轨道的阻尼按粘滞阻尼 考虑，分层地基模型能反映波在三维弹性介质中的传播，不必考虑计算域边界 的影响，具有较宽的计算域。用解析模型分析了轨道结构和地基之间的相互作 用关系，探讨了在软土地基中列车运行速度达到地基表面r a y l e i g h 波速时引起 的地基共振，讨论了列车的轴重变化对环境振动的影响等。 在车辆一轨道耦合动力学理论的基础上，进一步建立了铁路交通环境振动 三维数值计算模型，即车辆一轨道一地基耦合动力学模型。模型中，车辆和轨 道部分采用垂向平面模型，对板式无砟轨道用4 节点8 自由度组合有限单元划 分：地基用三维实体有限单元划分；波在计算域边界的透射用粘弹性动力人工 边界单元模拟；用h e r t z 非线性弹性轮轨接触理论建立车辆和轨道之间的耦合关 系。该模型可以考虑轮轨之间的非线性作用力、地基的分层特征及计算域中复 杂的几何构形，便于模型扩展，计算域的大小不受列车长度的影响。本文通过 对该模型扩展得到了路堤线路条件下的列车一轨道一地基一框架结构环境振动 分析模型和地铁线路条件下列车一轨道一隧道一地基一框架结构环境振动分析 模型。 采用数值方法研究路堤线路条件下动车组通过时引起的环境振动。主要包 第1 i 页西南交通大学博士研究生学位论文 括：分析地面振动及线路附近框架结构的振动特征；研究无砟轨道动力学参数 及隔振沟几何、物理参数对环境振动控制效果的影响。计算表明地面振动按指 数规律衰减；提高扣件和板下调整层的弹性，增加轨道板的厚度可以达到降低 环境振动的目的；在本文计算条件下，明沟能降低振动约8 d b 1 0 d b ，其合理深 度为5 m 7 m 。 用数值方法研究了地铁线路条件下列车通过时引起的环境振动。主要包括： 分析圆形隧道结构周围地基的振动及衰减特征；研究隧道埋深、地基弹性模量、 轨道结构型式的影响；对比分析隧道正上方地基表面高层和低层框架结构的振 动响应。结果表明，列车通过时传到地面的主要是竖向的低频振动，本文计算 条件下，在2 0 m 3 0 m 的范围内会出现反弹增大；与低层框架不同，高层框架在 中部位置出现振动的最大值；从环境振动的角度讲，隧道埋深大于1 3 m 比较合 理。上述结果对高速铁路的减振设计提供了必要的参考。 关键词：高速铁路；地铁：轨道结构；框架结构；地面振动；解析方法；数值 方法；有限元：耦合振动 西南交通大学博士研究生学位论文第1 ll 页 a b a s t r a c t f o ral o n gt i m et h er u n n i n gs p e e do ft h et r a i ni s r e l a t i v e l yl o w i nc h i n a ， t h e r e f o r e ，t h er a i l w a yi n d u c e de n v i r o n m e n t a lv i b r a t i o ni sa na r e at ow h i c ht h e r e s e a r c hc o m m u n i t yh a sn o tp a i de n o u g ha t t e n t i o n t h e r ea r eo n l yl i m i t e dr e s e a r c h e s w e r ec o n d u c t e d ，s u c ha st h ep r e l i m i n a r yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h es i t em e a s u r e m e n t r e s e a r c ha l o n et h eu r b a nr a i l w a yli n e t h ee n v i r o n m e n t a lv i b r a t i o nr e s e a r c h e su n d e r t h ec o n d i t i o n so fh i g hs p e e dt r a i no ru n b a l l a s t e dt r a c kw e r ea l s of e w a tp r e s e n t ，a c o m p l e t e t h e o r e t i c a l a n a l y s i sm e t h o d ，w h i c hi su r g e n t l yn e e d e d t o s t u d y t h e p r o p a g a t i o na n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so ft h et r a i ni n d u c e de n v i r o n m e n t a lv i b r a t i o n ， d e v e l o pe c o n o m i c a la n de f f e c t i v em e t h o df o rc o n t r o l l i n gt h ev i b r a t i o n i ti sa i m e dt o p r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r tf o rl e a p f o r w a r dd e v e l o p m e n to fc h i n e s er a i l w a y t h i st h e s i sr e v i e w e da n da n a l y z e dt h e h i s t o r y a n dp r e s e n ts t a t u so ft h e e n v i r o n m e n t a lv i b r a t i o ns t u d y i n g t h e n ，t h ec o m p a r a t i v e l yp e r f e c tt h r e e d i m e n s i o n a l a n a l y t i c a la n dn u m e r i c a lm o d e l s ，w h i c ha r es u i t a b l et ot h es t u d yo ft h ee n v i r o n m e n t a l v i b r a t i o no nc o n d i t i o n so fm e t r oa n de m b a n k m e n tu n b a l l a s t e dt r a c kl i n e sw e r e e s t a b l i s h e d i n f l u e n c ef a c t o r so ft h et r a i n ，t h et r a c k ，t h es u b g r a d e ，t h et u n n e l ，a n dt h e b u i l d i n gs t r u c t u r e sa r ec o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r e di nt h em o d e l b a s e do nt h es o l u t i o no ft h et r a c ka n dt h el a y e r e dg r o u n dd y n a m i ce q u a t i o n si n w a v e - n u m b e rd o m a i n ，t h ea n a l y t i cm o d e lo fg r o u n dv i b r a t i o nc a u s e db yt h es l a bt r a c k u n d e rt h ea x l e l o a di se s t a b l i s h e d v i s c o u sd a m p i n gi su s e dt od e s c r i b et h ea t t e n u a t i o n o ft h et r a c kv i b r a t i o n l a y e r e ds o i lm o d e lc a nr e f l e c tt h ep r o p a g a t i o no fw a v e si nt h e t h r e e d i m e n s i o n a le l a s t i cm e d i u m i t sn o tn e c e s s a r yt oc o n s i d e rt h ei n f l u e n c eo ft h e c a l c u l a t i o nd o m a i nb o r d e r , w h i c hh a sl i t t l er e s t r i c t i o no nt h em o d e le s t a b l i s h m e n t t h ei n t e r a c t io no ft h et r a c ka n dt h eg r o u n di sa n a l y z e d w h e nt h et r a i n v e l o c i t yi s c l o s et ot h er a y l e i g hw a v es p e e do ft h es o f tg r o u n d ，t h er e s p o n s eo ft h eg r o u n d e x h i b i t ss e v e r eo s c i l l a t i o n s t h ei n f l u e n c eo ft h ed i f f e r e n ta x l e l o a dt ot h e e n v i r o n m e n tv i b r a t i o ni sa l s od i s c u s s e d b a s e do nt h ev e h i c l e t r a c k c o u p l i n gd y n a m i ct h e o r y , at h r e e d i m e n s i o n a l t r a i n t r a c k g r o u n dc o u p li n gn u m e r i c a lm o d e li sd e v e l o p e dt os i m u l a t et h et r a i n i n d u c e dg r o u n dv i b r a t i o n t h ev e r t i c a lp l a n em o d e li se s t a b l i s h e dt os i m u l a t et h e c o n s i d e r e dv e h i c l ea n dt r a c k t h et r a c k i sm e s h e db yt h e4 - n o d e ，8 - f r e e d o m c o m p o s i t eb e a mf i n i t ee l e m e n t t h et h r e e d i m e n s i o n a lh e x a h e d r o nf i n i t ee l e m e n t i s u s e dt om e s ht h ec a l c u l a t i o nd o m a i no ft h eg r o u n d i m p e d a n c ea n ds c a t t e n n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec a l c u l a t i o nd o m a i ne d g e sa r es i m u l a t e db yt h r e e d i m e n s i o n a l v i s c o e l a s t i ca r t i f i c i a lb o u n d a r y i n t e r a c t i o n b e t w e e nt h et r a i n a n dt h et r a c kl s a c h i e v e da tt h ew h e e l r a i li n t e r f a c e st h r o u g hw h e e l - r a i lf o r c ec o m p a t i b i l i t y , w h i c hi s d e s c r i b e db yt h en o n 1 i n e a rh e r t z i a nt h e o r y t h en o n l i n e a rw h e e l r a i la c t i o nf o r c e ，t h e m a t e r i a l sd i s c o n t i n u o u s n e s s ，a n d t h e c o m p l e xg e o m e t r i c a l c o n f i g u r a t i o n a r e c o n s i d e r e di nt h em o d e l t h et r a i nl e n g t hh a sn or e s t r i c t i o nf o rt h ec o m p u t a t i o n a l d o m a i n b o t ht h et r a i n t r a c k g r o u n d f r a m ec o u p l i n ge n v i r o n m e n t a lv i b r a t i o nm o d e l f o re m b a n k m e n t l i n e sa n d t h e t r a i n t r a c k g r o u n d - t u n n e l 。f r a m e c o u p l i n g e n v i r o n m e n t a lv i b r a t i o nm o d e lf o rm e t r ol i n e s w e r ed e v e l o p e do nt h eb a s i so ft h e m o d e la b o v em e n t i o n e d t h ee n v i r o n m e n t a lv i b r a t i o ni n d u c e db yt h em o t o rt r a i nu n i tp a s s m gt h r o u g ht n e e m b a n k m e n tl i n e s ，w a sc a l c u l a t e db yu s i n g o ft h en u m e r i c a lm e t h o d t h em a i n r e s e a r c h e sc o v e rt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ，w h i c ha r ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y z i n g o ft h eg r o u n ds u r f a c ea n df l a m es t r u c t u r ei nt h ev i c i n i t yo ft h el i n e ，v i b r a t i o nc o n t r o l e f f e c t se x p l o r i n go ft h eu n b a l l a s t e dt r a c k sd y n a m i cp a r a m e t e r s ，i n f l u e n c es t u d y i n go f t h eg e o m e t r i ca n dp h y s i c a lp a r a m e t e r so ft h ev i b r a t i o ni s o l a t i o nt r e n c h t h er e s u l t s s h o wt h a tt h eg r o u n dv i b r a t i o nd e c r e a s e sw i t ht h ed i s t a n c et o t h et r a c k a c c o r d i n gt o t h ee x p o n e n t i a lf o r m u l a t h ev i b r a t i o nl e v e lc o u l db ed e c r e a s e db yt h i c k e n i n gt h e s l a ba n di m p r o v i n gt h ee l a s t i c i t yo ft h er a i l f a s t e n i n ga n da d j u s t m e n tl a y e n t h e v i b r a t i o nl e v e lc o u l db ed e c r e a s i n ga b o u t8 d b - 1 0 d bb yo p e n i n gi s o l a t i o nt r e n c hw i t h t h er e a s o n a b l ed e p t ho f5 m - 7 m an u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm o d e lw a sd e r i v e dt os t u d yt h eg r o u n dv i b r a t i o n s c a u s e db ym e t r ot r a i n s t h e s ea r er e s e a r c h e sf o l l o w e da r et h em a i nc o n t e n t so f t h i s w o r k t h es t u d yc o n c e r n e dw i t ht h eg r o u n dv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a r o u n dt n e c i r c u l a rt u n n e l 。i n f l u e n c e so ft h er a i lt r a c ks t r u c t u r e ，t h et u n n e ld e p t ha n dt h eg r o u n d e l a s t i cm o d u l u s c o m p a r a t i v ea n a l y s i so f t h eh i g h - r i s ea n dt h el o w r i s e f f a m e s t r u c t u r e sv i b r a t i o n t h ep r e s e n tr e s u l t ss u g g e s tt h a tt h et r a i nm a i n l yi n d u c i n gt h e 西南交通大学博士研究生学位论文第v 页 l o w f r e q u e n c yv e r t i c a lv i b r a t i o n so ft h eg r o u n ds u r f a c e ，w h i c ha r eg e n e r a l l yg r e a t e r t h a nt h el a t e r a lv i b r a t i o ni nt h ea r e av i c i n i t yt ot h ec e n t r a ll i n eo ft h et u m n e l t h e r e e x i s t sav i b r a t i o na m p l i f y i n gz o n ei nt h ed i s t a n c eo f2 0 m - 3 0 mt ot h er a i l w a yl i n e t h em a x i m u mv i b r a t i o nv a l u eo ft h eh i g h r i s ef l a m es t r u c t u r ea p p e a r sa ti t sm i d d l e p a r t ，w h i l ea sf o rt h el o w r i s ef r a m es t r u c t u r e ，m a x i m u mv i b r a t i o nv a l u ea p p e a r sa ti t s t o p 。f r o mt h ev i e wo fc o n t r o l l i n ge n v i r o n m e n t a lv i b r a t i o n ，t h et u n n e ld e p t hs h o u l db e m o r et h a n13 m t h e s er e s u l t sp r o v i d ee s s e n t i a lr e f e r e n c ef o ra n t i v i b r a t i o nd e s i g no f t h eh i g h s p e e dr a i l w a yb u i l d i n ga n dt h eu r b a nr a i lt r a n s i tc o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：h i g h s p e e dr a i l w a y ；m e t r o ；t r a c ks t r u c t u r e ；f r a m es t r u c t u r e ；g r o u n d v i b r a t i o n ；a n a l y t i c a lm e t h o d ；n u m e r i c a lm e t h o d ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； c o u p l i n gv i b r a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密田，适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：舜2 手径髯指导教师签名学位论文作者签名：斧2 十僻7 评指导教师签名 日期：影年r ，月 日日期：跏年p 月多e l 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在本文中作了明确的说明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 推导了无砟轨道运动方程的波数域求解公式，得到了轨道方 程波数域求解的统一形式，建立了板式无砟轨道环境振动研究的解析 法计算模型。 2 开发了用于环境振动研究的板式无砟轨道组合有限单元模 型，该单元可以方便地和地基有限元模型相耦合。 3 建立了列车一板式轨道一地基耦合动力数值计算模型，可用 来分析路堤线路的条件下板式轨道交通引起的环境振动特征和控制 措施，并将该模型改动后可用于分析地铁交通引起的环境振动问题。 学位论文作者签名：季z 钾磁 日期：么一g 年加月e l 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 1 。1 研究背景 第1 章绪论 由于高速铁路和城市轨道交通的蓬勃发展，铁路交通引起的环境振动与噪 声预测和控制研究是国际学术界和各国政府关心的一大课题。尤其在欧美发达 国家，铁路环境振动与噪声早己引起各国政府研究机构和公众的高度重视，政 府发布的环境振动与噪声绿皮书也对铁路环境振动与噪声给予了充分的叙述。 以前国内列车速度普遍较低，加之国人的环保意识不强，铁路交通诱发的环境 振动与噪声问题未引起政府和人们的充分关注。新世纪，我国铁路交通的发展 进入黄金时期，对既有线已实施了多次提速，运行速度大于2 0 0 k m h 的客运专 线纷纷修建，已经拥有或正在修建城市铁路交通的城市已达到1 0 余座之多，无 砟轨道技术得到大力推广应用。但铁路交通环境振动领域的研究严重滞后于铁 路建设、经济和社会的发展。 1 1 1 铁路交通的发展 1 我国铁路进入高速化时代 近年来，我围铁路己实施了六次大提速，并相继建成了广深准高速铁路和 秦沈、武广、石太等客运专线。根据国家中长期铁路网规划在2 0 2 0 年前将 要建设总里程1 2 0 0 0 公里、时速2 0 0 公里以上的“四纵四横铁路客运专线网 络：未来5 年内，我国将建设列车运行时速2 0 0 , - - 一3 0 0 公里的京沪、京广、京哈、 沈大、陇海等铁路客运专线；建设时速2 0 0 公里以上的京津、沪宁、沪杭、宁 杭、广深、广珠等大城市群的城际轨道交通系统；继续推进既有线提速，在1 3 0 0 0 公里提速干线实现客车时速2 0 0 公里。中央和政府将高速铁路的发展建设作为 十一五”规划的重点战略进行部署。 我国铁路朝高速化发展的特点是，既有线提速和新线建设同时进行，建设 规模巨大，新建客运专线的级别和列车运行速度高。铁路交通除了适合长距离 的运输外，在现代城市公共交通中所占的比重也越来越大。 2 城市轨道交通迅速发展 地铁和轻轨是城市轨道交通的主要形式，自1 8 6 3 年世界上第一条地铁线路 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 在英国的伦敦修成以来，开辟了城市交通向地下发展的新途径。1 0 0 多年来，城 市铁路交通已受到世界各国的广泛重视，纷纷效仿，已有4 0 个国家的8 0 多座城 市修建了地铁或轻轨。发展地铁和轻轨交通已成为现代化城市的标志。 城市铁路交通具有载客量大、运载效率高、节约能源、污染少、使用寿命 长、【与地少、不干扰1 j 内道路交通等优越性，是解决我国大城市中交通问题最 有效最理想的运输方式，适合我i q 城市町持续发展的要求。我目北京、上海、 天津、广州、深圳、重庆等城市已经建有地铁或轻轨交通，成都、西安、杭州、 大连等城市止任修建或舰划城铁路交通。城市铁路交通线不可避免地会穿过 或者靠近人口密集的地区或需要时环境振动严格控制的区域，如图1 - 2 。 一l _ l i ，- 图1 一l 城市r t 的交通拥堵斟i 一2 铁路线附近的楼房 3 无砟轨道在我国客运专线和城市轨道交通建设中被大力推广应用 无砟轨道具有稳定性好、刚度均匀、结构耐久、维修上作量显著减少和技 术相对成熟的突川优点。发展无砟轨道技术是我心铁路快速提7 t 装备水平，实 现跨越式发艟的重要举措之。 无砟轨道技术发展比较成熟的家是德【司平【1 日本。德铁路无砟轨道的土 婴结构型式宵雷达、雷达2 0 0 0 、z f i b l i n 、b e r l i n 、a t d 、g e t r a c , l ： i 博格( b 6 9 1 ) 型； 1 5 t 本的 ? 要是板式轨道，几前已经形成了适h 于不i 司使川范罔的板式轨道系列 1 。我国对尤砟轨道的研究与i 司外几乎同步，初期试铺过支，氰块式、短术枕式、 整体灌注式整体道床以及框架式沥青道床等多种形式口 。1 9 9 5 1 9 9 7 年问，我刚 试铺弹性支承块式无砟轨道，并存寨岭隧道一线、一线推广使用，1 9 9 9 年在秦 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 沈客运专线的沙河桥、狗河桥和双河桥上，分别铺设了长轨枕埋入式和板式无 砟轨道。无砟轨道已经成为客运专线轨道的发展趋势，近几年在客运专线建设 中被大力推广使用，设计时速3 0 0 公里的京津城际客运专线是我国已经建成的第 一条无砟轨道客运专线，将在奥运会开幕之前投入运营。 1 1 2 铁路交通环境振动的产生及传播特点 铁路交通对环境和周边建筑物的振动影响一般通过以下方式进行：由运行 列车对轨道的冲击作用产生轨道系统的振动，并通过轨道的基础结构( 隧道基 础和衬砌或桥梁的墩台及其基础) 传递到周围的地层，进而通过地基土介质向 四周传播，进一步诱发附近地下结构以及地面建筑物( 包括其结构和室内家具) 的二次振动和噪声，从而对建筑物的结构安全以及建筑物内的人们的工作和生 活产生了很大的影响【】，如图1 3 。 图1 3 铁路交通环境振动的传播 铁路交通的振动源主要由以下几个方面产生： ( 1 ) 列车以一定的速度运行时，对轨道的重力加载作用产生的冲击； ( 2 ) 列车在轨道上运行时，轮轨相互作用产生的车轮与钢轨结构的振动： ( 3 ) 当车轮滚过钢轨接头、焊缝时，轮轨之间产生的动力冲击； ( 4 ) 轨道的不平顺和车轮的损伤也是系统振动的振源。 铁路交通的振动经由轨道结构沿不同的路径传给受振体。由图1 3 可见，路 堤线路条件下，振动由路基传给地基，再通过地基传给线路周围的受振体：地 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 铁线路条件下振动是通过隧道结构传给地基的；而高架线路条件下振动通过桥 墩传给地基。所以铁路交通环境振动的影响因素主要包括列车速度、车辆轴重、 地基特征、隧道结构形式和埋深、高架桥梁的结构特征以及受振体的结构特征 等【5 - 8 】。可见铁路交通环境振动具有产生和传播机理复杂、影响因素众多的特点。 1 1 3 铁路交通引起的环境振动问题 随着近年来铁路列车速度的迅速提高，客运专线、高速铁路和城市铁路交 通的迅猛发展，对环境的振动污染问题日益突出。 环境振动一般不会对人体立即造成直接伤害，但它会干扰人们的日常生活， 使人感到不适、心烦意乱，影响人们的睡眠、休息和学习甚至建康【3 j 。振动会影 响人的听觉，干扰手的操作准备性，使其操作速度下降，人的大脑思维受到干 扰，难以集中精力进行判断、思考、运算和操作，造成工作效率下降。列车引 起的结构振动通过周围地层向外传播，进一步诱发临近建筑物( 包括室内家具) 的二次振动，因而对铁路附近建筑物尤其是古旧建筑物的结构安全产生很大影 响 9 12 1 。 巴黎七号线、十三号线在巴士底狱的新歌剧院下方通过，歌剧院方面认为 地铁交通的噪声和振动对歌剧院的演出有影响，不得不采取隔振措施。北京西 直门附近距离铁路约1 5 0 m 处的一座五层楼内的居民反映，当列车经过时，可感 到室内有较强振动，玻璃和门窗发出嗡嗡的声音，一段时间后，室内家具由于 振动而发生了错位。2 0 0 4 年9 月底，北京地铁沿线4 0 0 0 多户居民投诉地铁运行 时产生的振动和噪音干扰了他们的正常生活。铁道部2 0 0 6 年在北京东郊进行提 速货车试验时，强烈振动对环线周边居民的生活和工作产生了很大的干扰，部 分房屋产生了裂缝，引起了群众的不满和抗议。在捷克出现过繁忙铁路交通线 附近砖石结构的古教堂倒塌事故。北京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对苏州虎丘塔可能产生振动影响 在电子芯片的制造过程中，铁路交通引起的环境振动还会对精密仪器的使 用、精密加工生产线造成很大的影响【1 3 】。0 0 1 微米的误差就可造成灾难性的后 果。拟建中的北京地铁十号线将从北京大学某精密仪器实验室旁通过，引起了 北大教授的担忧；上海地铁线路离上海通力有限责任公司的半导体生产厂房和 上海电影制片厂的音像合成大厅很近，上海通力公司要求地铁引起的环境振动 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 按美国b b n v c 评价标准不得超过3 9 m t 2 ，上海电影制片厂则要求地铁引起的 环境振动不得超过本底振动，也就是列车通过时不得有任何振动影响；拟建中 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的精密仪器产 生振动影响。 所有这些都说明了铁路交通环境振动的影响、危害之大。随着高速铁路的 修建和城市铁路交通的发展，环境振动问题将会更加突出，已引起国内外学者 和相关部门的高度重视。 1 2 铁路交通诱发环境振动的研究现状 在发达国家，铁路交通引起的振动、噪声及对周围环境的影响早已引起政 府和公众的关注，将铁路环境振动与噪声列为重要的科学研究课题，根据各国 铁路交通自身的特点进行了比较广泛的研究。 日本是受环境振动污染最严重的国家之一。江岛淳【1 4 】、h a y a k a w a 等【l5 】和青 木一郎【l6 】分别就铁路交通引起的结构振动的发生机理、振动波的传播规律及其 对周围居民的影响进行了研究，提出了环境振动水平的预测方法。日本铁道综 合技术研究所建立了专用振动台和人体振动分析模型，研究了不同频率、强度 和持续时间的振动对人体的影响。f u j i k a k e r 7 1 、吉冈修等【1 8 】就新干线高速列车对 环境振动的影响进行了现场测试，分析了车辆、轨道、桥梁、地面等不同部位 的振动特点，并研究了不同类型的隔振屏障的隔振效果。 随着欧洲高速铁路网的形成，在上世纪后期欧洲掀起了铁路交通环境振动 的研究热潮。英国铁路管理局研究发展部技术中心对铁路车辆引起的地面振动 进行了测试，主要研究了行车速度、激振频率和轨道结构参数的相关关系以及 共振现象等。比利时鲁汶大学d e g r a n d e 教授等【1 9 1 与比利时铁路公司s n c b 合作， 在布鲁塞尔至巴黎之间高速铁路线上测试和分析了高速列车通过时地面振动的 分布规律。瑞士联邦铁路和国际铁路联盟( u i c ) 实验研究所( o r e ) 共同资助 了项计划，z a c h 署t l r u t i s h a u s e r 等【2 0 。2 i 】研究了地铁列车和隧道结构的振动频率 和加速度特征，从改善线路结构的角度提出了降低地铁列车振动对附近地下及 地面结构振动影响的途径。德国的m e l k e 等【2 0 】提出了一种基于脉冲激励和测试 分析的诊断测试方法，来预测市区铁路线附近建筑物地面振动水平，并通过不 同测点数据的传递函数分析研究了振动波的传播规律。2 0 0 0 年瑞典铁道部组织 第6 页西南交通大学博士研究生学位论文 力量，对g o t h e n b e r g 附近高速铁路线上剧烈的地基振动进行了全方位的研究 2 2 - 2 3 】，包括地质调查、立论建模，以及组织试验列车以不同的速度通过。 此外，美国w i l s o n 等【2 4 j 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) 和改革车辆转向架构造减少轮轨接触力，以降 低地铁车辆引起的噪声和振动的建议。r i c h a r t 乃j 和w 0 0 d s 等【z 6 j 则针对隔振沟和 板桩墙等隔振措施进行了实验研究。西班牙、捷克等国也做了大量的调查和测 试研究工作，通过对几种不同场地土的测试统计结果，分析了列车引起的地面 振动波的传播规律和衰减特性，并从降低行车速度、减轻荷载重量、提高路面 平整度等方面提出了降低环境振动的措施。 由于长期以来国内列车运行速度普遍较低，铁路交通环境振动与噪声问题 并不突出而未引起人们的充分重视，对轨道交通引起的环境振动的研究不过三 十年 2 7 - 2 8 。上世纪8 0 年代后期，以原兰州铁道学院和北京地铁科研所为主进行 了几次地铁区间列车引起的振动测试与分析【2 引，在这一时期现场实测研究的基 础上，于1 9 8 8 年借鉴i s 0 2 6 3 1 ，制定了城市区域环境振动标准，并沿用至今。 进入2 1 世纪，我国城市铁路交通和高速铁路建设进入快速发展阶段【3 0 3 1 】， 对铁路交通环境振动的研究开始增多。夏禾在文献【3 2 - 3 4 j 中采用二维的车辆一桥 梁耦合动力作用模型，通过动力分析求得了列车通过时对桥墩的荷载，然后将 该荷载施加给地基一结构耦合系统分析模型，通过动力响应分析得到了列车通 过时大地的振动和衰减特性以及铁路周边建筑物的振动特征。西南交通大学的 翟婉明等【3 5 _ 3 7 1 ，同济大学的练松良【3 8 _ 3 9 1 、孙雨明4 0 1 、高广运【4 1 4 3 1 、蒋通【州，北 方交通大学的刘维掣4 5 4 6 1 ，石家庄铁道学院的张玉娥【4 7 4 8 1 ，北京市环境监测中 心的王毅 4 9 舶】，以及铁道部劳动卫生研究所马筠、辜小安 5 1 。5 2 1 ，浙江大学的周 华飞【5 3 1 、蒋建群等【5 4 1 ，在列车诱发大地振动的产生机理、传播规律、轮轨相互 作用及振动控制方面进行了研究，取得了一定成果。华东交通大学雷晓燕 55 】论 述了国内外在轨道交通环境振动与振动噪声研究中有代表性的分析方法及其在 该领域的研究进展，提出了需要进一步深入探讨的若干问题。此外，台湾大学 的杨永斌教授 5 6 - 5 8 、h u n g 5 9 - 6 1 1 和成功大学的朱圣浩教授 6 2 - 6 3 1 等采用数值分析方 法比较系统地研究、预测了高速高架铁路的环境振动影响，并提出了减振措施。 可以将上述国内外针对铁路交通环境振动的研究方法归纳为以下几个大的 方面：其一是铁路交通诱发地基振动机理研究的解析方法研究；其二是铁路交 西南交通大学博士研究生学位论文第7 页 通环境振动的数值方法研究；其三是用现场实测的方法进行研究。不管采用什 么方法，根本目的都是为了搞清楚铁路交通环境振动的机理，针对具体问题采 取相应的措施，以便有效降低或避免环境振动。由1 1 2 可知，轮轨之间的动力 作用是引起环境振动的激振源，所以不论是数值方法还是解析方法，在模型中 都必须包含激振源。 1 2 1 铁路交通环境振动的激振源模拟 当列车通过时，轮轨之间的相互作用可以分为由于车辆系统本身重力引起 的轴荷载和轨道动力不平顺及轮轨接触面上的几何不平顺所引起的动荷载。为 了简化分析，在文献阳6 1 中忽略了不平顺的影响，将列车荷载简化为一系列以一 定的速度移动的轴荷载列。文献m h 踟等中用不同频率正弦函数叠加的方式模拟列 车动荷载，这种方法虽然能够反映列车荷载周期作用的特点，但激振力函数中 的系数难以确定，不能准确模拟车辆系统和轨道系统之间的相互耦合动力作用。 为了能够详细地考虑轮轨之间的动力作用，必须要建立合理的车辆和轨道耦合 动力学模型。 翟婉明教授率先提出并开展了“车辆一轨道耦合动力学的研究m 9 7 引。建立 了整车一轨道相互作用的详细模型，相继发表了系列学术论文m 侧，并出版了学 术专著车辆一轨道耦合动力学第一、二、三版n 4 。6 | ，为铁路交通环境振动研究 中激振源的计算提供了理论基础。 对于车辆模型，翟婉明教授哺刚在车辆一轨道垂向系统统一模型中将二系悬 挂客车简化成1 0 个自由度的车辆模型，其中包括车体和两个转向架的沉浮和点 头以及四个轮对的沉浮位移：对于垂向轨道模型，钢轨被视为连续弹性离散点 支撑的无限长e u l e r 梁，轨下基础沿纵向被离散，离散为以各轨枕支点为基元， 每个支撑单元采用双质量( 轨枕和道床) 三层( 钢轨一轨枕一道床一路基) 弹 簧阻尼元件组成的振动模型。 文献h 7 1 用有限元法研究了单个和多个移动荷载下连续粘弹性基础支承长梁 的动力响应。文献 卧圳用有限元法分析了板式无砟轨道在移动荷载作用下的动力 响应，板式无砟轨道因其结构左右对称，取一股钢轨进行了研究。该方法为了 简化计算，视板式轨道钢轨为离散粘弹性支点支承的长梁，轨道板为连续粘弹 性基础支承的短梁，将板式无砟轨道及移动荷载作为一个系统，运用弹性系统 第8 页西南交通大学博士研究生学位论文 动力学总势能不变值原理及形成有限元刚度矩阵的“对号入座”法则阳卜g ”建立该 系统的振动方程组。 1 2 2 采用解析方法对铁路交通环境振动研究 自1 9 9 1 年，j o n e s 、p e t y e 8 4 钟1 和k r y l o v f 8 8 8 9 】发表了一系列用解析法研究轨道 交通诱发地面振与传播的文章，研究模型将地基视为各向同性的半无限弹性域， 并按弹性基础上或刚性基础上的层状介质考虑，荷载则被简化为长方形范围内 的简谐压力。根据t h o m s o n 、h a s k e l l 提出的传递矩阵方法 9 0 - 9 1 】，s h e n g 等提出 了一种新的三维分层传