（道路与铁道工程专业论文）桥上轨道结构振动对环境振动的影响评价.pdf

中文摘要 摘要。随着社会经济的发展和科技水平的提高，轨道交通尤其是高架桥上的轨道 交通得到了迅速发展，其引起的环境振动公害问题也越来越引起人们的重视。本 文在前人研究的基础上，对列车引起的振动在周围环境中的传播及影响规律和改 变结构参数对降低振动的影响进行了较系统的分析研究，为高架轨道交通的可行 性研究和环境影响评价提供参考。 本文阐述了桥上轨道结构振动的产生、传播规律及对环境的影响。介绍了国 内外对桥上轨道结构振动的环境影响和减振的研究现状 利用动力有限元理论，基于a n s y s 软件建立了轨道结构一桥梁的三维有限元 模型和二维的桥墩一土体模型并对模型进行模态分析，得到了模型的固有频率 接着通过计算分析，比较验证了桥墩一土体模型的性能 分析了列车移动载荷作用下，桥上轨道结构的动力学特性和振动的传播规律。 讨论了车速及结构参数对振动及其传播的影响利用二维桥墩一土体模型研究了 轨道结构振动顺桥墩到土体沿地表的传播规律讨论了钢轨垫层、道碴垫层、桥 墩支座、列车行驶速度对降低地表振动的影响从而对今后桥上轨道交通的环境 振动评价、可行性研究与设计提供理论参考 关键词：桥梁：轨道结构；振动；墩一土相互作用：环境影响；a n s y s ； 分类号：u 2 1 1 3 t u 4 3 5 a b s t r a ( 了 a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i c s ，m e t r ol i n e sd e v e l o pq u i c k l yi n m a n yb i gc i t i e s a tt h em e a n t i m e ，t h ev i b r a t i o na n dn o i s ea r o u s e db yr a i l w a yt r a c kw e r e a c c u s e db yp e o p l e i nt h i st h e s i s , t h ep r o p a g a t i o no ft r a i n - i n d u c e dv i b r a t i o n si nt h e s u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n ta n dt h e i ri n f l u e n c el a w sa n dt h ei n f l u e n c eo fr e l a t e dp a r a m e t e r t ov i b r a t i o n sw e r ea n a l y z e do nt h eb a s i so fp r e v i o u sa c h i e v e m e n t so fr e l e v a n tr e s e a r c h e s nc a no f f e rr e f e r e n c et of e a s i b i l i t yr e s e a r c ha n de n v i r o n m e n t a li n f l u e n c ee v a l u a t eo f b r i d g et r a c kv i b r a t i o n a tf i 雌lt h i sp a p e rd e s c n h e dt h ec a u s eo fi n d u c e dv i b r a t i o no ft r a c ks t r u c t u r ea n d t h ei n d i c e so fe v a l u a t i n ge n v i r o n m e n tv i b r a t i o n a f t e ri t , i n t r o d u c et h er e s e a r c ha c t u a l i t y o f w o r l do ne n v k o n m e n t a li n f l u e n c ea n dv i b r a t i o nr e d u c i n g o nt h eb a s i so ft h et h e o r yo ft r a c ks t r u c t u r ea n dv i b r a t i o n , t h em o d e lo fb a l l a s t e d t r a c kv i b r a t i o ni se s t a b f i s h e du n d e rm o v i n gl o a db ya n s y ss o f t i tc o n t a i n sa3 df e mo f r a i l w a y - b r i d g ea n da2 1 ) d y n a m i cp l a n es t r e s sm o d e lo f s o i la n dp i e r b a s eo nt h em o d e l , a n a l y s i sw a sd o n et og e tt h en a t u r a lf r e q u e n c yo ft h em o d e l ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f s o i l - p i e rm o d e lw a sa n a l y z e db yc o m p a a n go ff i n i t ea n a l y s i sa n dt h e o r e t i cc a l c u l a t i o n i nt h ee n d ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fr a i l w a ys t r u c t u r eo nb r i d g ea n dv i b r a t i o n i n f l u e n c el a w sa l o n gt h es o i ls u r f a c ew e r ea n a l y z e du n d e rm o v i n gl o a d , d i s c u s s i n gt h e i n f l u e n c eo ft r a i ns p e e da n ds t r u c t u r ep a r a m e t e rt ov i b r a t i o n u s i n g2 dd y n a m i cp l a n e s t r e s sm o d e lt h i st h e s i ss t u d i e dv i b r a t i o ni n f l u e n c el a w s ，d i s c u s s i n gt h ei n f l u e n c eo fr a i l p al , b a l l a s tm a t , p i e rs u p p o r ts t i f f n e s sa n dv e h i c l es p e e do ns t r u c t u r a lv i b r a t i o n t h e r e s u l t sc a no f f e rr e f e r e n c et of e a s i b i l i t ys t u d y , d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fv i a d u c t r a i l w a yt r a c k ， k e y w o r d s ：b r i d g e ；r a i l w a yt r a c k ；v i b r a t i o n ；s o i l - p i e rr e a c t i o n ；e n v i r o n m e n t i n f l u e n c e ；a n s y s ； c l a s s n o ：u 2 1 1 3 t u 4 3 5 北京交通太堂硒坐位论文 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，谷爱军副教 授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 年来谷爱军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7 我很大的关心和帮助，在此向谷老师表示衷心的 谢意。 在研究生期间，交环所倪永军老师，高亮老师，梁青槐老师，万传风老师在 学习、科研工作和论文上给予我很多指导和关怀，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，李萍、张宏亮、马鸣楠等同学对我论文中的 相关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。 i i 课题背景及研究意义 1 绪论 随着城市化进程的继续，城市人口不断增加，城市规模不断扩大，经济活动 日趋活跃，人口的流动性越来越强，所有这一切都要求交通运输系统能够得到迅 速地发展高架桥轨道交通系统是目前解决城市交通日趋繁忙这一问题的主要手 段之一。据国家计委资料显示，“十五”计划期间，中国城市交通投资将达8 0 0 0 亿元人民币，其中至少有2 0 0 0 亿元将用于轨道交通建设。城市轨道交通建设将会 在较长时间里，成为中国基础建设投资的重点之一目前中国已有2 0 t 超大城市 和特大城市正在建设和筹建自己的轨道交通系统其中，上海城市轨道交通明珠 线是全国第一条城市轨道交通高架线，正线全长2 4 9 7 公里，其中高架线占全长的 8 5 6 在武汉，高架轻轨交通系统也已经开始兴建1 1 垌 与此同时，工业技术的巨大进步使得工业产品和各种仪器设备愈来愈精密， 对生产和操作场所周围环境的要求也越来越高；生活水平的不断提高使得新时代 的居民越来越看重生活质量的改善，他们对生活环境的要求也越来越严格 这样一来，一方面对交通运输系统的需求越来越大，另一方面对环境的要求 又越来越高，使得两者之间的矛盾日益突出，交通系统引起的环境问题也就被提 上了日程 轨道交通的发展在给人们的出行带来极大的方便，取得显著的社会效益的同 时，也不可避免地给城市环境带来了诸如噪声、振动，电磁辐射、景观以及日照 等方面的负面影响，其中以运营期的噪声、振动影响尤为突出随着城市空间 利用率的提高，多层高架道路、地下铁道、轻轨交通，高速公路交通正日益形成 一个立体的空间交通体系，从地下、地面到空中逐步深入到城市密集的居民点、 商业中心和工业园区如日本东京市内的交通道路己多达5 7 层，离建筑物最短距 离小到只有几米，加上交通密度的不断增加，使得振动问题日益突出嘲 目前，交通振动所引起的振动公害已被列为世界七大环境公害之一。交通振 动是指因交通车辆引起的结构振动通过地面或地下向四周传播，进一步诱发附近 地下结构以及邻近建筑物( 包括室内家具等) 的二次振动和噪声。它对城市街道、 城乡公路和铁路两旁的影响最为直接，除了影响建筑物的寿命外，更影响人体健 康在这样的背景下，交通系统设计规划中对环境影响的考虑越来越多对振动 污染的规律、振动产生的原因、传播路径与控制方法以及对人体的危害等方面进 行研究的意义也越来越显现出来国际上已开始着手研究振动产生的原因、污染 规律、传播途径、控制方法以及对人体的危害等 因此，研究桥上轨道结构引起的振动在周围环境中的传播，以及这种振动对 周围环境的破坏及破坏程度，是一个新热点。 减小轨道交通的振动，首先可以提高沿线居民的生活质量，其次可以减少铁路 建设的后期投资，另外还是使轨道交通可持续发展的关键之一。 本文即研究桥上轨道结构的振动特性和沿土体的传播规律，建立轨道结构一 桥梁的三维有限元模型和二维的桥墩一土体平面应变动力模型，分析不同模型参 数对振动沿轨道结构、桥梁、土体的传播规律的影响，给出较好的轨道类型和参 数，为修建高架桥时的环境影响评价和桥梁轨道的减振提供参考。 1 2 桥上轨道交通结构的振动及环境影响问题 1 2 1 桥上轨道交通振动的产生 在我们生活的环境中，存在着两种振动源，一种是天然的地震引起地面强烈 振动，另一种是人为造成的地面振动，如爆破，交通，机器振动，建筑施工机械 振动，施工打夯等等。对我们日常生活影响最广的便是认为造成的振动，尤其是 轨道交通引起的振动。 轨道交通系统的振动主要由以下几个方面产生： ( 1 ) 轮轨不平顺。包括车轮失圆和钢轨不平整轮轨接触就会产生撞击，产 生振动。失圆的车轮在钢轨上运行时碾压钢轨，使钢轨变形，变得不平整，不平 整的钢轨又对车轮的平滑性产生影响如此往复，长期下来，使列车运行时振动 加剧。 ( 2 ) 车辆动力系统的振动。主要是动力牵引时产生的振动，主要与车辆动力 机械运转及技术参数有关，如弹簧刚度、簧上质量、簧下质量等 ( 3 ) 轨道结构振动。列车在通过钢轨接头、道碴等轨道结构而产生振动。主 要是与轨道结构参数有关，如：质量、刚度、阻尼等0 1 。 1 2 2 高架轨道交通振动的传播与环境影响町嘲 下图为高架轨道交通振动的传播途径示意图 图1 - 1 桥上铁路轨道振动的传播 f i g 1 1s p r e a d i n go f v i b r a t i o ni n d u c e db yr a i l w a yh a c ko qb r i d g e 高架交通振动对环境的影响主要分为一下三个方面： ( 1 ) 对结构安全和正常使用的影响 交通系统引起的环境振动和能量都比较小，从建筑物安全的角度来讲，它不 会造成像地震那样的剧烈损害但是环境振动的作用是长期存在和反复发生的 这种小幅环境振动的反复作用同样会对处在振动环境中的结构物造成损害，使建 筑结构的强度降低，出现裂缝或者引起结构变形，影响结构物的安全和正常使用 图1 2 捷克古教堂因交通振动产生的裂缝 f i g 1 - 2t h eo l dc h u r c h sc r a c ko f c a n s e db yr a i l w a yv i b r a t i o n 3 例如，在捷克繁忙的交通线附近的一些古建筑因车辆通过时引起的振动而产 生了裂缝，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。如图1 - 2 所示此外，长期处在振动环境中的建筑物，其内部装潢可能受到损伤，如装饰 构件损害、墙皮破裂脱落等，对建筑物的外观和正常使用影响很大 在北京这样的历史名城，交通线路往往与古建筑和文物保护单位毗邻，交通 系统引起的振动有可能造成无法挽回的损失。对这样的城市来说，交通系统引起 的振动问题更是不容忽视的 ( 2 ) 对精密仪器设备的正常使用的影响 交通振动首先容易降低精密加工的精度各类精密加工设备对不同加工件的 精度要求，规定了不同的振动控制限值，其允许振动速度控制指标一般在 o 0 5 - 0 5 m m s 范围内，如果外界传来的振动速度超过其允许振动速度的控制指标， 就会对产品的光洁度、波纹度、不圆度、垂直度和尺寸精度积累误差发生不良的 影响统计表明：超出限值的环境振动可能使精密车床、磨床、镗床、铣床等设 备的加工精度降低1 2 级，导致加工件达不到合格要求，严重时还会降低精密设 备的使用寿命。甚至直接引起设备损坏 另外对精密仪器、仪表的正常使用造成了影响。各种用于精密计量、理化分 析及其它检验的仪器、仪表，均有其相应的正常检测示精度条件，其允许振动速 度的控制指标一般在0 0 3 - o _ 5 m m s 范围内，当外界传递来的振动超过其允许振动 速度控制指标时，精密仪器、仪表的检验测表系统就会发生晃动或颧动，致使无 法正确判定标值，从而使检验测示系统产生误差，甚至造成整个系统无法正常工 作严重时，还会导致某些仪器刀口损伤，指针失灵，内部机构松动损坏乃至设 备报废。 最近在北京地铁四号线建设过程中遇到的环境振动问题就是一个比较典型的 例子，具体来说就是地铁线路通过北京大学附近时引起的振动预计会造成校内实 验室设备无法正常使用，从而引起校方与建设方的多次交涉 ( 3 ) 对人类的正常工作和身体健康的影响 振动对人体的影响是人们颇为关注的问题。首先，振动影响人的正常生活和 工作。在生活中，环境振动一般不会对人的身体造成直接的物理损伤，但研究表 明，环境振动那怕是轻微的环境振动都会使人感勐不安和烦躁，干扰人们的正常 生活，影响人们的睡眠、休息和学习在工作环境中，振动还会影响人的视觉， 干扰手的操作准确性，干扰大脑的思维，影响人的工作和学习效率。我国于8 0 年 代中期对铁路沿线共1 9 1 6 名居民进行的调查表明，8 0 d b ( 、r l ) 的振动强度己经引起 5 0 左右的居民产生“高度烦恼”。 另外振动影响人类的身心健康。现在人们已认识到，振动会对人体健康造成 4 多方面的影响它能对人体骨骼、肌肉、关节、韧带、循环系统、消化系统，神 经系统、血液系统、代谢系统，呼吸系统及女性生殖系统带来不同程度的损害和 影响。研究表明，振动对人体的损害和影响程度与振动强度、频率等有很大关系， 其影响规律简述如下：( 1 ) 振动强度越大，对人体的影响也越大。一般人刚刚可以 感觉到的垂直振动加速度为0 o l m s 2 ，不可忍耐垂直振动加速度为5 m s 2 ；( 2 ) 人体能感知的振动频率范围为1 - 1 0 0 0 h z ，站立的人对4 - 8 h z 的振动最敏感，躺卧 的人对1 - 2 i - l z 的振动最敏感；o ) x 对体长方向的振动更为敏感；( 4 ) 人体对冲击振 动和问歇振动的反应比稳态振动反应要大，振动作用时间越长对人体的不良影响 越大 1 2 3 桥上轨道交通振动的特性与控制标准嘲 由于环境振动对人体、结构、仪器设备等都可能造成损害，因而对其进行评 价和控制是十分必要的为此，人们对环境振动问题进行了一系列研究，并以此 为依据，制订了相应的控制标准 研究表明，环境振动对人体、结构、仪器设备的影响程度与下面几个参数有 关： ( 1 ) 振动频率 环境振动的频率范围很宽，不同频率的振动产生的影响是不同的。对人体而 言，振动频率在1 - 1 0 0 0 h z 以内的环境振动都有可能被感知，但是我们只对1 - 8 0 h z 内的振动比较敏感，这是因为人体组织的共振频率大都集中在这个范围内的缘故 研究表明，不同频率的振动所引起的感受和病变特性也是不同的： 1 - 4 h z 的振动，干扰人的呼吸及神经系统； 4 - 1 0 h z 的振动，引起人的胸口，肚子疼痛，皮肤温度急剧下降，手指活动 无法控制； 1 0 - 2 0 h z 的振动，引起肌肉紧张、眼睛发胀、咽喉疼痛、语言模糊、脑电 波异常； 2 0 - 3 0 0 h z 的振动，引起手指血管和神经损伤( 即r a y n a u d 病) ； l h z ( 尤其是0 3 h z ) 的超低频振动，会引起晕船、晕车等。 进一步的实验还表明，人体对不同频率振动的敏感程度与人的姿势也有关系， 站立的人对4 - 8 h z 的振动最敏感，而躺目的人对1 - 2 h z 的振动最敏感 至于环境振动的频率对建筑结构和机械设备的影响，一般与结构或机械的自 振频率有关，与其自振频率接近的环境振动可能会引起结构的共振，此时振动的 影响往往是比较大的。 5 ( 2 ) 振动强度 当频率一定时，振动幅值越大对机体的影响也就越大目前，振动强度一般 用加速度表示，单位为m s 2 实际应用中也常采用振动加速度级l 来表示振动强 度，该量定义为：加速度与基准加速度之比的以1 0 为底的对数乘以2 0 ，单位为分 贝 1 0 0 m ，在 频率为3 h z 时约为5 0 m ，在频率为5 h z 时约为3 0 m ，在频率为1 0 h z 时约为1 5 m 。 ( 3 ) 理论计算 因为本文所建模型的边界为粘性边界，只加了垂向阻尼和切向阻尼，且主要 研究垂向振动所以计算时主要考虑剪切波，即s 波因此波速的计算采用公式 1 2 计算得为 k 仨。阻：_ 坐堡一：1 6 6 。1 0 2 m j 。v p 、2 p ( 1 + ) 1 2 x 2 0 3 3 ，( 1 + 0 锡 。 一 可以看出，有限元分析的速度结果和理论计算结果是基本相符的 波长由公式a 一冬计算，在频率为1 h z 、3 h z 、5 h z 、1 0 h z 和2 0 h z 时分别为 ， 1 5 8 m 、5 3 m 、3 2 m 、1 5 8 m 、8 m 。这和有限元分析的结果也是基本相符的。 为了达到计算精度的要求，在建立模型中划分单元的时候，每个波长范围内 至少须含有5 8 个单元长度；模型范围须包含1 1 5 个最长波长。由主要频率范 围内最短波长8 m 可算得单元长度的最短范围l = l 1 6 ( m ) 。因此，本模型中土 体的单元长度划分为l m 基本能够满足精度要求。由动荷载频谱分析得到主要频率 范围从2 3 i - i z 开始，所以模型范围至少应为5 0 m 1 0 5 m 。因此，本模型中土体 的范围取1 0 0 m 也是符合要求的。 4 0 3 2 2 振动在土体中的传播规律 下面将上部结构传递给桥墩支座的动荷载作用在桥墩上，分析振动在土体中 的传播规律和土体的响应 在环境振动问题中主要关心的是地表面的振动。由于列车荷载通过桥梁引起 的地面水平方向振动，在传导过程中的衰减要远快于垂直方向的振动，因而地表 垂直方向的振动将明显大于水平方向的振动，为主要振动因此本文在分析高架 铁路环境振动的影响时，主要以垂直方向的振动为主 图3 - 8 、3 9 给出了土体中地表面距桥墩距离由5 m 到4 0 m 时的竖向振动速度 和加速度。 c a ) 距桥墩5 m 处地表振动速度 ( a ) 删s o i ls u r f a c ev e l o c i t y5 ma p a r tf r o mp i e r 1t4i， 时一( ) ( b ) 距桥墩l o m 处地表振动速度 c o ) v e g t 妯s o i ls u r f a c ev e l o c i t yl o ma p a r t 丘p i e r ( c ) 距桥墩1 5 m 处地表振动速度 ( c ) v e r t i c a ls o i ls u r f a c ev e l o c i t y1 5 ma p a r tf r o mp i e r 4 1 ( d ) 距桥墩2 0 m 处地表振动速度 ( d ) v e r t i c a ls o i ls u r f a c ev e l o c i t y2 0 ma p a r t f r o mp i e r 考 v 世 时闻( ” 二。 啊 _ l 时c s ) ( c ) 距桥墩2 5 m 处地表振动速度 ( f ) 距桥墩3 0 m 地表振动速度 ( c ) v e r t i c a ls o i ls n r f a v e l o c i t y2 5 ma p a r tf r o mp i e r ( ov e r t i c a ls o i ls u r f a c ev e l o c i t y3 0 ma p a r t “ 二。 髑 - 珥 4 m - f ( ) ( g ) 距桥墩4 0 m 处地表振动速度 f g ) v e r t i c a ls o i ls u r f a c ev e l o c i t y4 0 ma p a r tf r o mp i e r 图3 - 8 振动沿土体传播距桥墩5 4 0 m 范围的地表振动速度 f i g 3 - 8 v e r t i c a ls o i ls u r f a c e v e l o c i t y 5 + 4 0 m a p a r t f r o m p i e r w h e n v i b r a t i o ns p r e a d a l o n gs o i ls u r f a c e 二 簧 曩 时闸( ， v 髀 豆 对闭“】 ( a ) 距桥墩5 m 处地表振动加速度( b ) 距桥墩l o m 处地表振动加速度 ( a ) v e r t i c a ls o f ts u r f a c ea c c e l e r a t i o n5 ma p a r tf r o mp i e r ( b ) v e r t i c a ls o i ls u r f a c ea c c e l e r a t i o nl o m a p a r tf r o mp i e r 童 毯 篇 量 竹问( ” 1 v 量 _ 且 时胃) ( c ) 距桥墩1 5 m 处地表振动加速度( d ) 距桥墩2 0 m 处地表振动加速度 ( c ) v e r t i c a ls o i ls u r f a c ea c c e l e r a t i o n1 5 ma p a r tf r o mp i e r ( d ) v e r t i c a ls o i ls u r f a c ea c c e l e r a t i o n2 0 m 鼍 董 篇 胃 时一“) f 鼍 v 鼍 _ 詹 a p a r tf r o mp i e r 时( ) ( c ) 距桥墩2 5 m 处地表振动加速度( f ) 距桥墩3 0 m 处地表振动加速度 ( c ) v e r t i c a ls o i ls u r f a c ea c c e l e r a t i o n2 5 ma p a r tf r o mp i e r 孳 世 埒 量 时问， ( g ) 距桥墩4 0 m 处地表振动加速度 v e r t i c a ls o i ls u r f a c ea c c e l e r a t i o n4 0 ma p a r th o mp i e r 图3 - 9 振动沿土体传播距桥墩5 4 0 m 范围的地表振动加速度 f i g 3 9u p p e re a r t h sa c c e l e r a t i o n5 4 0 ma p a r tf r o mp i e rw h e nv i b r a t i o ns p r e a da l o n ge a r t h 表3 - 1 为振动传播至土体时地表距桥墩5 8 0 m 的振动加速度的最大值情况， 振动加速度的变化如图3 1 0 。 表3 1 地表振动加速度最大值 t a b l e3 1m a x i m u ma c c e l e r a t i o no f s o f ts u r f a c e i 距桥墩距离l5 1 01 52 0 2 5 3 0 4 0 5 0 l 6 0 i 7 0 i 8 0 i i 最大加速度l0 6 9 4 0 4 7 90 3 7 20 3 1 4o 2 7 30 2 3 80 1 8 6 0 1 6 0 10 1 4 0 10 1 2 0 l0 1 0 3 l o 7 - 0 8 迄帖_ e 魁。 嘲o 3 震 0 2 o 1 01 0舶 为筑 距桥墩距离( m ) 图3 - 1 0 地表振动最大加速度衰减图 f i g 3 - 1 0m a x i m u ma c c e l e r a t i o na t t e n u a t i o no f s o i ls u r f a c ev i b r a t i o n 从图3 - 8 和图3 - 9 中即可看出，随着距线路中心距离的增大：( 1 ) 地面竖向振动 速度和加速度显著减小；( 2 ) 对程曲线趋于光滑，即在土体中传播时，较高频率的 振动得到了很好的衰减。从图3 1 0 可以看出，地面振动加速度衰减在距桥墩3 0 m 内比较快，迅速衰减，然后衰减速度变慢 为了更直观地描述振动在自由场地上传播的规律，在下一章将计算结果进行 处理，把计算过程中得到的峰值振动强度以曲线的形式给出来，并对几种主要因 素对地面竖向振动变化的影响进行单独的分析。 4 桥上轨道交通结构振动的影响因素分析 要降低或控制振动的不利影响，可以从控制振源强度，控制振动的传播途径 和合理规划设计使建筑物避开振动影响区等几个方面的途径采取对策 本章主要从振源强度控制和传播途径控制入手，讨论车速、轨道结构中钢轨 垫层和道碴垫层以及桥梁结构中的桥墩支座参数对桥上轨道交通振动的影响。 4 1 垫层刚度对轨道结构及周围土体的振动影响 4 1 1 钢轨垫层刚度对振动及其传播的影响 ( 1 ) 钢轨垫层刚度对结构加速度的影响 取行车速度为6 0 k m h ，且其他参数保持不变，使轨垫刚度以3 0 幅度变化， 桥梁结构加速度频谱分析如下 o5 o 5 频率( h 习 f a ) 轨垫刚度为0 7 x1 0 m ( a ) s t i f f n e s so f r a i lp a d ( 0 7 x1 0 s n l m ) 嘲 螂 ! 詈 哪 霄玉墨皇一柱谜博景群肆 o 51 01 52 0 频率( h z ) ( b ) 轨垫刚度为l l o s n m 时 0 51 01 5 2 0 凸 3 0 频率h 鸯 ( c ) 轨垫刚度为1 3 xz 0 m 时 ( c ) 嘶血e 女o fr a i lp a d0 3 x1 0 8 n m ) 图4 1 轨垫刚度变化时桥梁加速度的频谱分析 f i g 4 - 1b r i d g ca c c e l e r a t i o ns p e g t l o ma n a l y s i so f d i f f e r e n tr a i lp a ds t i f f n e s s 由图4 - 1 得到，钢轨垫层刚度对桥梁的加速度的影响明显，刚度越小，高频部 分的衰减效果越好，其他频段则影响不大。 ( 2 ) 钢轨垫层刚度对桥墩支座反力的影响 钢轨垫层冈度变化时，桥墩支座反力最大值变化和频谱分析如下。 表4 - 1 钢轨垫层刚度变化时桥墩支座反力最值 t a b j , e4 1 m z x h n u m o f p i e z s u p p o r t r e a c t i o n o l d i f f e r e n ts a i l p a d s t i f f n e s s 霄苫c罢量帮鹤龋曩眯蜷 姑 izh(1古，量一塞趟艘其麟颦 2 j ； 2 4 o p 3 0 7o j lo g 1 1 勃照刚度( x1 0 町 图4 2 桥墩支座反力随轨垫刚度的变化 f i g 4 - 2 p i e r 鲫卵o nr e a c t i o n o f 出施柏吐r a i l 刚鲥血c s s 。胃 王枷 乙 蒌一 铷2 0 0 0 0 槭 0 宵5 蝴 王 己4 蜜 茁一 删 如2 0 o 1 o 05l o1 52 0 顿率 ( - ) 轨垫刚度为0 7 xl o 啉m o51 01 52 0 频率( h 苟 ( b ) 轨垫刚度为i x l o m 时 ( b ) s t i f f n e s s o f r a i l p a d ( 1 x l o s n m ) 霄 王 邑 蜜 茁 剖 槭 o5 1 01 5 频率( h 对 ( c ) 轨垫刚度为1 3 xx o n m 时 ( c ) s t i 恤e s s o f r a i l p a d ( 1 3 x 1 0 s n m ) 图4 - 3 轨垫刚度变化时支座反力频谱分析 f i g , 4 - 3 p i e r s u p p o r tr e a c t i o n 罐d ：m 珊a n a l y s i s o f d i f f e r e n t r a i l p a d 斌f n e s s 由图4 2 得到，轨垫刚度增大，桥墩支座反力也增大，增加幅度与轨垫刚度差 不多因此，降低轨垫刚度可以减小桥墩支座的反力 由图4 3 可以看出，钢轨垫层刚度减小，支座反力的幅值也随之降低。 ( 3 ) 钢轨垫层刚度对振动沿地表传播的影响 钢轨垫层刚度变化时，地表振动的变化如下图 如 筠 a o 詈 笱 5加 毯 煅 1 5 ，o 5 ( a ) 轨垫刚度对地表速度的影响一 ( a ) i n f l u e n c eo fr a i lp a ds t i f f n e s st os o i ls u r f a c ev e l o c i t y |l一一一一。 0 e 0 7 0 6 0 5 宅 v 0 4 避 期 o 。 最0 2 n ， o o ( b ) 轨垫刚度对地表加速度的影响 i n f l u e n c eo f r a i lp a ds t i f f n e s st os o i ls u r f a c ea c c e l e r a t i o n 图4 _ 4 轨垫刚度对周围土体地表振动的影响 f i g 4 - 4 i n f l u e n c e o f r a i l p a ds t i l l n e s s t os o i ls i t r l c a c c v i l x a l i o n 由图4 4 可以得到，地表振动的速度和加速度均随钢轨垫层刚度的减小而减 小，变化幅度比轨垫刚度小变化趋势仍是在距桥墩3 0 m 内迅速衰减到某值，然 后衰减速度变慢 4 1 2 道碴垫层刚度对振动及其传播的影响 c1 ) 道碴垫层刚度对结构加速度的影响 取行车速度为0 0 k m h ，且其他参数保持不变使道碴垫刚度以3 0 幅度变化， 计算结果如下 51 0 52 0 须宰州习 ( a ) 道碴垫刚度为2 6 x 1 0 s l q m ( a ) b a l l a s tm a ts t i f f n e s s ( 2 6 x1 0 s n m ) 惦 嘲 ! 詈 啪 ! 詈 哪 【zh，雪ilj一一密避艘最麟监 罩 f 、 量n 3 一 嚣0 2 期 娄 鼙 霄 工 望0 3 e 弛 避0 2 蜱晕 豢0 1 监 o 51 01 52 0 频率( h z ) ( b ) 道碴垫刚度为4 xx o s n m 时 o5 1 01 52 0 笛 频率研z j ( c ) 道碴垫刚度为5 5 x l o l n m 时 ( c ) b a l l a s t m a ts t i f f n e ( 5 5 x 1 0 s l q m ) 图 5 道碴垫刚度变化时挢粱加速度的频谱分析 f i g 4 - 5b r i d g ea c c e l e m t l o ns p e , c t g t m la n a l y s i so f d i f f e r e n tb a l l a s tm a ts t i 商n e s s 由图4 5 得到，道碴垫层刚度对桥梁加速度的影响也在较高频率的振动，刚度 越小，该段隔振效果越好。随着道碴垫层刚度的减小，高频部分的隔振效果较好， 其他频段则影响不大。 ( 2 ) 道碴垫层刚度对桥墩支座反力的影响 道碴垫层刚度变化时，桥墩支座反力最大值变化和频谱分析如下。 表4 - 2 道碴垫屠刚度变化时桥墩支座反力最值 t a b i c 4 - 2 m a x i m u m o f p 把rs u p p o r t r e a c t o n o f d i f f e m n t b a l l “t m a ts t i f f n e s s 5 0 z 2 0 餐 2 , 53 03 54 04 55 o5 5 道碴垫刚度( x l o b u ) 图4 - 6 桥墩支座反力随道碴垫刚度的交化 f i g 4 - 6p i e rs u p p o r tr e a c t i o no f d i f f e r e n tb a l l a s tm a t s t i f f n c s $ o s1 01 5 2 0 频率 4 o5 1 01 52 0 频率f l ( b ) 道碴垫刚度为4 x l o s l q m 时 ( b ) b a l l a s t m a ts t i f f n e s s ( 4 x 1 0 a n m ) 8 2 o 0 6 蝴 叭 犹 缃 勰 撕 撕 一 一 一 一 一 一 。 霄h苔m；茁毪双 一 一 一 一 一 一 。 霄h乙磐r堪铷科 宵5 0 o 王 z 一4 0 0 0 0 翘 摄3 0 0 0 0 剖 槭猢 1 0 0 o 0 51 01 52 0 频率( h z ) c o ) 道碴垫刚度为5 5 1 0 s n m 时 ( c ) b a l l a s tm a ts t i f f n e s s ( 5 5 1 0 s n m ) 图 道碴垫刚度变化时支座反力频谱分析 f i g 4 - 7p i e rs u p p o r tr e a c t i o ns p e c l m ma n a l y s i so fd i f f e r e n tb a l l a s tm a ts t i f f n e s s 由图4 6 得到，道碴垫刚度增大，桥墩支座反力也增大，道碴垫刚度每增大 3 0 ，支座反力增大约5 因此，降低轨垫剐度可以减小上部结构传到下部士体 的力。 由图4 7 可以看出，道碴垫层刚度的变化对支座反力的频率影响不大。 ( 3 ) 道碴垫层刚度对振动沿地表传播的影响 道碴垫层刚度变化时，地表振动的变化如下图。 芝 e v 魁 瑙 o1 0 4 0 翮7 0 距桥墩距离( m ) ( a ) 道碴垫刚度对地表速度的影响 ( a ) i n f l u e n c eo f b a l l a s tm a ts t i f f n e s st os o i ls u r f a c ev e l o c i t y 笛 恬 伸 。 距桥墩距离( m ) ( b ) 道碴垫刚度对地表加速度的影响 ( b ) i n f l u e n c e o f b a l l a s t m a ts t i f f n e s s t os o i ls u r f a c e a c c e l e r a t i o n 图4 8 道碴垫刚度对周围土体地表振动的影响 f i g 4 - 8 i n f l u e n c e o f b a l l a s t m a t 砒i 面鹞t os o l l 辄【i f h 由图禾8 可以得到，地表振动的速度和加速度均随道碴垫层刚度的减小而减 小，变化幅度比轨垫刚度小。变化趋势不变，在距桥墩3 0 m 内迅速衰减，然后衰 减速度变慢 4 2 其他参数对结构及周围土体的振动影响 对于高架轻轨系统，影响环境振动的因素除了轨道结构参数外，还有列车速 度、桥梁结构类型、参数和跨度等因此，本节继上节讨论轨道结构参数后再讨 论一下桥墩支座和车速对环境振动的影响 4 2 1 桥墩支座刚度对结构传递力及其传播的影响 ( 1 ) 桥墩支座刚度对桥墩支座反力的影响 桥墩支座刚度变化时，桥墩支座反力变化如下。 表4 3 支座刚度变化时桥墩支座反力最值 t a b l e 4 - 3 p i e rs u p p o r tr e a c t i o n o f d i f f e n m t s u p p o r ts t i f f c s s ” 帖 旺 。wv毯魍最 圣 萎 蓑 6 z ： ： 餐 5070 f 0 支座刚度( 1 d n m ) 图4 - 9 桥墩支座反力随支座刚度的变化 f i g 4 - 9p i e rs u p p o r t 托盘c t i o no f d i f f e r e n ts u p p o r ts t i f f 麟 1 0 0 0 0 o ( a ) 支座刚度为5 6 x1 0 s n m 0 51 0 1 5 巧 频率( h z ) ( b ) 支座刚度为8 1 0 h q m 时 c o ) s u p p o r ts t i f f n e s s ( 8 1 0 s n m ) 料 娩 啪 豫 珊 捕 扯 一 石 ， a 一 氍 # 罾 砒 下 n 一 鲫 一 辄 一 心r 一 0j川川川川i 一 一圳引制溯 一 一 一 一 【z玉nl饕i_蕊戳似 5 0 0 铷d 2 0 咖 1 0 0 o 051 01 52 0巧 频事 h z ) ( c ) 支座刚度为1 0 4 x 1 0 s n m 时 ( c ) s u p p o r ts t i f f n e s s ( 1 0 4 1 0 s n m ) 图4 - 1 0 支座刚度变化时支座反力频谱分析 f i g 4 - 1 0s u p p o r t n a c d s p e a m m a n a l y s i s o f d i f f e r e n ts u p p o r ts t i f f n e s s 3 0 由图禾9 得到，桥墩支座刚度增大，桥墩支座反力也随之增大因此，降低支 座刚度可以减小桥墩支座的反力 由图4 - 1 0 可以看出，桥墩支座刚度的增大对支座反力的频率没有明显影响 ( 2 ) 桥墩支座刚度对振动沿地表传播的影响 桥墩支座刚度变化时，地表振动速度和加速度的变化如下图。 里 e e v 趟 瑙