（道路与铁道工程专业论文）城市高架轨道交通无碴轨道振动特性研究.pdf

中文摘要 摘要：城市高架轨道交通凭借其自身的优势较好地解决了城市拥堵问题，但 其产生的噪声、振动等负面因素也越来越受到人们的关注。为了降低城市高架轨 道交通的振动情况，减小对周边建筑的影响，本文联系实际，运用a n s y s 软件， 建立符合实际的轨道桥梁地基三维实体模型，采用移动荷载模拟列车运行时的状 态，考虑车速、钢轨、轨道结构、桥梁结构中各参数变化对高架轨道振动的影响。 同时，建立三维路桥过渡段模型，模拟车辆下桥，研究过渡段的长度和刚度、速 度变化对路桥连接处轨道和道床的振动情况的影响。 通过仿真模拟，得到了减小高架轨道振动的关键因素；进一步分析其如何影 响高架轨道及周围环境：综合各方面因素考虑，给出轨道结构、桥梁结构中部分 参数的建议值，为今后高架轨道振动的模拟、设计、施工等进行初步研究。 关键词：城市高架无砟轨道动力学分析路桥过渡段 分类号：u 2 1 1 3 a bs t r a c t a b s t r a c t ：u r b a nm a s st r a n s i to nb r i d g eh a sd o n ew e l li ns o l v i n g t h ep r o b l e m o fu r b a nt r a f f i ci a mw i t hi t s e l fa d v a n t a g e s ，b u to t h e rn e g a t i v ef a c t o r s ，s u c ha sn o i s e ， v i b r a t i o n a r ea l s oa t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ep e o p l e sc o n c e m i no r d e rt or e d u c et h e v i b r a t i o ns i t u a t i o no fu r b a nm a s st r a n s i to nb r i d g ea n dt h ei m p a c to nt h es u r r o u n d i n g , i n t h i sa r t i c l e ，a c c o r d i n gt op r a c t i c es i t u a t i o n ，e s t a b l i s ht h e f a c t u a l3 dm o d e lo f t r a c k b r i d g e r o a d b e d ，u s em o b i l e l o a d ss i m u l a t i n gt h es t a t eo ft r a i n sr u n n i n g ，a n d o b s e r v ed i f f e r e n te f f e c to nt r a c kv i b r a t i o no nb r i d g eb e c a u s eo f t h ev a n o u sp a r a m e t e r s o fs p e e d ，b r i d g ea n dt r a c ks t r u c t u r e a tt h es a m et i m e ，e s t a b l i s h 3 dm o d a lo f r a i l b e d b r i d g et r a n s i t i o ns e c t i o n ，s i m u l a t et h et r a i nr u n n i n gf r o mb r i d g et or a i l b e d ，a n d 6 b s e et h ee f f e c to nv i b r a t i o np r o p e r t yo ft r a n s i t i o ns e c t i o no w i n g t os t i f f n e s s 、l e n - g t h a n ds p e e dc h a n g e so ft r a n s i t i o ns e c t i o n n l e r ea r es o m ek e yf a c t o r sh a v i n gb e e nf o u n dw h i c ha r eu s e f u lo fr e d u c i n gt h e v i b r a t i o ns i n l a t i o no fu r b a nm a s st r a n s i to nb r i d g et h r o u g ht h es i m u l a t i o n ； f u r t h e r a n a l y s i so fh o w i ti m p a c t i n gt r a c ko nb r i d g ea n ds u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t ：i nt h e l i m i t e dc i r c u m s t a n c e s ，s o m ep a r a m e t e r so ft r a c ka n db r i d g es t r u c t u r ew i l lb ea d v i s e d f o r 6 】臼】f ew o r ko n3 ds i m u l a t i o no fu r b a nm a s st r a n s i to nb r i d g e k e y w o r d s ：u r b a nm a s st r a n s i to nb r i d g e ；b a u a s t l e s st r a c k ；d y n a m i ca n a l y s i s ； r a i l b e d - b r i d g et r a n s i t i o ns e c t i o n c l a s s n o ：u 2 1 1 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：孳乡宏 导师签名： 彩彳 签字日期：游月哆日签字日期：弘日年 f 月日 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做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：弼荔 签字同期： 知子年f 月，岁同 7 5 致谢 本论文的工作是在我的导师彭华副教授的悉心指导下完成的，彭华老师严谨 的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来彭 华老师对我的关心和指导。 两年间，彭华副教授不仅悉心指导我们完成了实验室的科研工作，对于我的 科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见；努力创造条件使我们能够亲自参与实 际工程项目，增长经验；同时，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助， 在此向彭华老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，肖骁骐、李冬冬、张晓明等同学对我论文中 的理论和实际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。 另外也感谢父母，没有父母背后默默无闻的支持，没有他们的关心、理解和 帮助引导，也没有我的今天。他们是我力量的源泉，坚强的后盾，使我能够在学 校专心完成我的学业。在这里，我想向父母深深鞠上一躬，感谢您们对我的培养， 我会用我所学以及今后的努力来回报您们，回报社会，报效祖国。 最后，衷心地感谢所有帮助过我的老师，同学们，谢谢你们! 1 绪论 1 1 引言 城市高架轨道交通在解决城市交通拥堵问题上发挥着越来越重要的作用，而 其产生的振动影响也不容忽视，所以有必要研究城市高架轨道的振动问题。随着 计算机的发展，采用仿真模拟研究实体振动也已成为可能。 1 2 国内外城市轨道发展概述 自世界第一条地铁线于1 8 6 3 年在英国伦敦诞生，截至2 0 0 5 年统计，世界已 有5 1 个国家的地铁和轻轨在运营。其中1 0 8 个城市拥有地铁，7 5 个城市拥有轻轨 ( 地铁、轻轨有重叠城市) 。从整个发展历程看，自1 8 6 3 年至1 9 0 0 年有英国、美国、 瑞士、匈牙利和奥地利5 个国家建成了地铁与轻轨线；从1 9 0 0 - - 2 0 0 0 年有法国、 德国等4 1 个国家相继拥有了地铁与轻轨线；2 1 世纪开始至2 0 0 5 年有伊朗、丹麦、 泰国和波多黎各4 个国家建成了地铁和轻轨。世界上有5 1 个国家已建成运营地铁 及轻轨线，总旱程达9 0 0 0 公里( 不含中国) 。从1 8 6 3 年至2 0 0 5 年经历1 4 2 年，平 均每年建成6 3 3 公里。9 0 0 0 公里中欧洲拥有量最多，其次是亚洲、北美。 世界上很多大城市都已构筑起一个上下数层、四通八达的轨道交通网，有的 还在地下设立商业设旌和娱乐场所，与地铁一起形成了一个地下城。有的车站建 筑构思新颖，气势磅礴，富有艺术特色。乘客一进入车站，犹如置身于富丽堂皇 的地下宫殿。凭借车站迷人的魅力，各国旅行者都慕名而来，此刻轨道交通也成 为该地的重要旅游景点。很多国家把地铁与地面线路、高架线路联合衔接构成高 速交通网，极大地解决了城市紧张的交通运输问题。因此，地铁现代化的发展， 已成为城市交通现代化的重要标志之一。 我国第一条地铁线于1 9 6 9 年1 0 月在北京建成通车，从此，我国开始踏入城 市轨道交通的门槛。从世界城市轨道交通发展的历程来看，2 0 世纪是城市轨道交通 发展期，而2 1 世纪开始我国城市轨道交通进入了高速发展期。 到2 0 0 6 年止，我国共建成运营线路2 2 条，总里程达6 2 7 4 2 公里。其中2 0 0 0 年前建成的运营里程为1 3 0 4 8 公里，而2 0 0 1 - 2 0 0 5 年期间( 即“十五”计划内) 建 成的运营里程为4 9 6 9 4 公里，就是说在“十五 计划内建成的占8 0 。在这5 年 中平均每年通车里程达1 0 0 公里，比2 0 世纪世界各国年平均建成里程6 3 3 公里快 得多。我国各城市在“十一五”计划内完成新建城市轨道交通线路和投资：北京、 上海、广州、深圳、南京、杭州、重庆、武汉、成都、天津、西安、苏州、哈尔 滨、沈阳、长春、宁波、郑州、厦门和东莞1 9 座城市，在2 0 1 0 年前计划新建总 运营里程达1 4 4 4 2 9 公里，总投资达5 3 0 7 6 9 亿元人民币，每年平均建设2 8 9 公罩， 平均每年投资1 0 6 1 亿元。其年均速度相当于2 0 世纪国内建造速度的3 倍，相当 于2 0 世纪世界建造速度的4 6 倍，进入高速发展阶段。 1 3 研究意义及背景 随着中国经济的迅猛发展，人民生活水平不断的提高，流动人口和机动车数 量的增加，城市规模逐步扩大，原有城市交通体系无法承受巨大的交通压力，交 通拥堵状况日益严重。交通状况的恶化，影响了居民生活质量的提高，大城市对 农村剩余劳动力的吸纳能力，以及国内外投资者对这些城市投资环境的评价，限 制了大城市的发展速度。因此，解决城市交通拥堵问题已成为政府的当务之急。 世界上一些著名大都市，都根据城市交通发展需要，选择了合理的城市交通发展 模式，建成了以城市轨道交通为骨干的现代城市交通体系，其客运量已占城市总 客运量的5 0 以上，有的高达8 0 。 城市轨道交通与其他交通工具相比，具有快捷、运输量大、安全可靠等优势， 在解决城市交通拥堵问题时，它成为许多大城市优先发展的公共基础设施。城市 轨道交通主要有三种形式：地面、地下和高架。众所周知，地铁的建设成本很高， 地铁的地下线造价达8 0 0 0 元m 2 1 2 0 0 0 元m 2 ，而高架线的造价一般为3 0 0 0 元m 2 左右。另外，高架线路能充分利用城市空间，节约城市宝贵用地，建设周期相对 较短。因此，高架桥在城市轨道交通中被广泛采用。由于高架桥上轨道交通能为 线路提供高平顺性、高稳定性、高精度、小残变、少维修等条件，尤其在人口稠 密地区和地质不良地段，可以跨越既有交通路网、避免高大路基阻挡视线和路基 不均匀沉降，故大量轨道交通采用高架线路。作为重要的现代交通干线，桥梁的 主要功能是为列车提供平顺、稳定的桥上线路，确保运营安全和乘坐舒适，并尽 量减少使用期间结构的维修工作量。 2 表卜1 地面、高架、地下三者之间的比较 造价施i ：技术 地面积施j t ：对既有交通的影响 地面线低中 地面要求多 大 地下线呙复杂 地卜要求高 大 高架线中中地上占用小小 虽然城市高架轨道交通不仅能有效地改善交通环境，方便人民群众出行，而 且还有助于带动城乡建设和经济发展，具有显著的经济和社会效益；但是也应该 承认，城市高架轨道交通系统也会不可避免地给城乡环境带来诸如噪声、振动、 电磁辐射的问题以及影响景观，其中以列车行驶中的噪声和振动影响尤为突出。 由于轮轨之间的冲击、车辆设备等产生的振动对周围环境产生极其不利的影响， 特别对沿线居民的生活和工作影响巨大；同时，运行的车辆通过桥梁时，不可避 免地会引起桥梁振动，此时的桥梁结构不仅要承受静力作用，还要承受包括移动 荷载以及由于桥梁和振动产生的惯性力等各种动力作用。这些动力作用引起的桥 梁振动可能使结构构件产生疲劳，降低其强度和稳定性；桥梁振动过大时，还会 对桥上车辆的运行安全性和稳定性产生影响。当列车的动力变化频率与桥跨结构 的自振频率相等或接近时，引起的共振会使车桥动力响应加剧，甚至产生意外的 破坏。因此，进行桥上轨道减振降噪系统力学特性研究是很有意义的。 1 4 国内外研究发展综述 车辆在桥梁上面行驶时，会对桥梁产生动力作用。1 8 4 4 年英国和法国为了研 究桥梁在列车动力荷载作用下的破坏问题，对b r i t a n n i a 桥进行了动力试验。从此， 便开始了车辆和桥梁振动的研究。1 8 4 9 年，w i l l i s 提出了不考虑质量的移动荷载作 用下桥梁的动力平衡方程。并指出在移动荷载作用下桥梁的内力和变形要比相同 大小静力荷载作用时大许多，当产生共振时桥梁的动力反应会更大，甚至破坏。 1 9 0 5 年，俄国k r y l o v i 研究了匀速常量荷载作用下简支梁的振动问题。为了避免求 解变系数微分方程，他假定：相对于跨度较大的桥梁而言，移动车辆的质量可以 忽略。由于未考虑车辆质量的动力效应，该模型只适用于车速较小的情况。该模 型虽然较为简单，却不失为一种分析车辆桥梁振动的实用方法。1 9 2 2 年 t i m o s h e n k o 考虑荷载动力效应，研究了匀速移动简谐力作用下简支梁的振动情况， 并得到了精确解。尽管该理论考虑的动力作用较为简单，但反映了车辆桥梁振动 的本质。因为在线弹性范围，车桥的动力效应可以分解为若干简谐振动的合成。 当车辆对桥梁动力作用在某一频率处特别大时，该方法更加有效。1 9 3 4 年i n g l i s 在大量实际测试资料的基础上，将该理论向前发展了一步。他假定桥梁振型曲线 为正弦分布，建立了较为实用的分析理论。该理论考虑了机车动轮偏心块、簧上 质量以及轨道不平顺等的作用。由于计算及分析手段的限制，此前分析车辆桥梁 振动的模型都只考虑单个移动动力荷载的作用。没有将车体、轮轨和桥梁作为一 个动力体系的整体进行分析。 近几十年来，随着有限元技术的发展和电子计算机的广泛应用，使得分析复 杂结构体系以及计算复杂的数学问题称为可能，车桥振动的研究进入了快速发展 的时期。1 9 5 4 年b i g g s 在i n g l i s 理论的基础上，考虑轮上弹簧质量的作用、车辆和 桥梁的阻尼，提出了更接近实际的车辆桥梁分析模型。该模型较为准确地反映了 车桥动力作用的实际情况。尽管只考虑了单自由度的情况，但这大大促进了车辆一 桥梁振动的分析和研究。1 9 6 9 年松浦章夫研究了高速列车作用下简支桥梁的动力 反应。他采用了整车模型，考虑了二系弹簧以及阻尼作用的影响。并认为桥梁跨 度较小时，可以只考虑桥梁的第一阶振型；而桥梁跨度较大时，则应该考虑高阶 振型的影响。他认为车辆对桥梁的动力荷载可以看作若干简谐荷载的迭加，简谐 荷载的主频与车轮间距( 轴距) 有关。 从2 0 世纪8 0 年代开始，我国的科研单位和高等院校对车桥相互作用理论及 其应用进行了比较系统的研究，先后建立和发展了各具特色的车桥振动分析模型。 中南大学曾庆元院士及其研究生们对车桥振动理论进行了深入系统的研究。 机车车辆采用2 1 自由度的模型，对桁架桥及混凝土桥分别采用空间梁单元进行离 散，通过建立列车在桥上任意位置的车桥时变系统总势能的计算式，由势能驻值 原理和形成矩阵的“对号入座”法则，导出了车桥时变系统的动力学方程，以机 车车辆构架蛇行波为激励源，求解车桥系统的振动响应。 铁道部科学研究院程庆国院士、潘家英研究员采用2 7 个自由度的车辆模型， 桥梁采用空间梁单元和杆单元的有限元模型，轮轨横向力采用简化的轮轨接触理 论，考虑轨道不平顺的影响，通过轮轨间的位移相等关系将车辆的运动方程与桥 梁的动力学方程联系起来，以计算车桥系统的空间振动响应。 北京交通大学夏禾教授、阎贵平教授等将车辆视为由车体、转向架和轮对组 成的多刚体系统，桥梁模型采用了模态综合技术，车辆与桥梁的连接通过两者问 力与位移的平衡关系来实现。他们应用这一方法对车桥墩体系的动力相互作用问 题，脉动风与列车荷载同时作用下桥梁的动力响应问题、地震荷载对桥上列车运 行平稳性的影响、车桥系统的动力可靠度问题、提速列车作用下钢板梁桥的横向 振动及加固方案、大跨度悬索桥在强风作用下的动力响应问题进行了研究，得到 4 了许多有意义的结论。 西南交通大学强士中教授和沈锐利教授采用2 3 个自由度的车辆模型，桥梁采 用有限元模型，假定车轮始终保持与钢轨接触，采用分离的车辆、桥梁运动微分 方程，利用迭代求解技术来研究车桥系统的空间动力响应。 针对铁道桥梁，翟婉明、蔡成标于1 9 9 7 提出了机车轨道桥梁耦合动力学模 型。该模型全面考虑了车体、转向架、轮对、钢轨、轨枕、道床及桥梁组成动力 体系的特性，但是该模型考虑的参数非常多，因此该模型的关键问题是如何准确 地确定这些参数。 雷晓燕等利用有限元法建立了包含钢轨、轨枕、弹性挚层、道床和路基为一 体的轨道空间结构分析模型。机车和车辆对轨道的作用通过轮对模型求得。在轮 对模型中，车体总质量平均分配到每个轮对上，轨道结构采用广义梁单元划分。 谢伟平等推导了移动载荷作用下，基于e u l e r 梁和t i m o s h e n k o 梁的轨道系统 动力响应的积分表达式，利用g r e e n 函数计算了车轮、轨道、枕木的相互作用引 起的振动，提出了基于其相互关系的离散化算法。李成辉计算了轮轨接触力功率 谱和轨下基础动力及加速度功率谱，并对轨道一车辆系统的竖向振动模态进行了 分析。 车桥相互作用关系是联系车辆振动与桥梁振动的纽带。己有的车桥振动研究 基本上都是把桥上轨道结构简化为固结于梁体上的钢轨，即钢轨与梁体具有相同 的变形特征。对于轮轨相互作用关系，己有的研究也都是根据力的平衡条件和位 移协调条件采用迭代法求解，而从实际轮轨接触关系研究车桥耦合振动的很少， 即使是考虑了轮轨接触关系，也大多是考虑轮轨平面接触或假定钢轨本身在振动 中不产生变形。对于车桥系统的激励源问题，一直存在两种不同的看法。一种是 将轨道不平顺作为激励源，另一种是将车桥振动系统中的转向架振动加速度响应 的实测波形或人工蛇行波( 即人工生成的转向架振动加速度时程) 作为系统的激励 源。前者是从轮轨关系出发，通过轮轨接触蠕滑理论，将复杂的相互作用力与位 移协调关系描述清楚。后者认为轮轨关系太复杂，无法描述清楚，因而直接将转 向架振动加速度的实测波形或人工蛇行波作为车桥系统的激励源。由于人为地假 定转向架的振动波形为已知，因此可求解车桥系统响应。随着轮轨接触理论研究 的突破、不同线路条件轨道谱的形成以及计算技术的进步，欧美各国、日本及国 内大多数研究单位大都已采用轨道谱或实测的轨道不平顺作为车桥振动系统的激 励源【l 】【2 】【引。 1 5 主要研究内容 根据城市高架轨道交通资料建立尽可能反映实际的轨道桥梁基础系统模型。 使用计算机软件模拟轨道桥梁基础系统，对桥梁振动做仿真计算。通过计算得出 的数据与国内外研究结果及实验数据进行对比，验证模型的证确以及参数的设定 等问题。然后模拟不同减振措施使用时桥上无砟轨道的动力响应，选择合适的参 数等各种条件，为桥上无砟轨道的设计以及减振降噪提供依据。 随着计算机的出现以及有限元技术的发展，线桥基础振动研究从研究方法到 计算模拟手段等都有了质的飞跃，人们可以建立比较真实的线路、轨道、桥梁计 算模型，然后运用相关软件计算车辆运动条件下的线路一桥梁基础系统的振动响 应。 本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 建立比较贴近于实际的城市高架轨道交通模型和路桥过渡段的模型。利用 a n s y s 建立高架桥上无砟轨道的模型和路桥过渡段模型。本论文无砟轨道选用钢 弹簧浮置板，桥梁采用箱形梁模型，桥下土体按照实际参数建立。 ( 2 ) n 用a n s y s 有限元分析软件对箱梁上的无砟轨道进行模念分析，得到其 相应的固有频率和模态振型，与相关试验数据相比较，验证模型和模念分析的计 算结果。 ( 3 ) 利用a n s y s 模拟移动荷载作用下的高架桥上无砟轨道的振动情况，得到 轨道结构、桥梁结构及基础在移动荷载作用下的动力响应，得出其对周围环境的 影响。 ( 4 ) 改变车速、轨道结构及桥梁结构的相关参数，通过得出的结论比较减振的 效果，为桥上无砟轨道的减振提供参数，为城市高架轨道减振，提高舒适性，安 全性提出建设性意见。 ( 5 ) 建立路桥过渡段的三维实体模型，路基上轨道为有砟轨道，桥梁上轨道为 无砟轨道。通过改变路桥过渡段的刚度、长度及行车速度，比较过渡段处的振动 差异，为从桥梁到路基更好的过渡衔接提供建议。 6 2 城市高架轨道交通振动分析 城市高架轨道交通的振动主要是由于运行车辆沿线路运行时，其移动的荷载 和轮轨接触表面的不平顺而产生的轮轨接触动荷载，引起轨道结构的振动，这时 桥梁结构不但承受静力的作用，还要承受移动荷载( 列车以一定速度通过桥梁时对 桥梁的加载和卸载) 以及桥梁和车辆的惯性力的作用。振动通过结构( 路基、桥梁墩 台及其基础) 传递到周围的地层，并经过地层向四周传播，激励附近地下结构或地 面建筑物产生振动并进一步诱发室内结构和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人们的工作和生活产生影响。从上可以看出轨道交通 的主要振动源为：车辆与轨道的相互作用。 图2 - 1 振动的主要来源 f i g2 - 1t h em a i ns o u r c eo f v i b r a t i o n 影响轨道振动强弱的主要因素为：列车速度、车辆重量、轨道结构、桥梁结 构类型和基础类型、桥梁跨度、刚度、挠度等。列车、轨道与桥梁三者之间的动 力相互作用也会加大振动。 2 1 城市高架轨道交通振动传递 由于轮轨表面的不平顺性引起车辆和轨道结构发生振动，振动经由钢轨、轨 道板、桥梁而传入大地。轨道交通系统产生的振动类似于一般振动，也是以3 种 波的形式传播，即剪切波( s 波) ，压缩波( p 波) 和表面波。剪切波中质点的振 动方向和波的的传播方向垂直；压缩波中质点的振动方向和波的传播方向平行。 振动波向外传播时，将会受到几何阻尼( 又称辐射阻尼) 和材料阻尼( 又称粘滞 7 阻尼) 的影响。几何阻尼指的是振动波的位移振幅随着离开振源的距离的增大而 减小的特征，这是由于波自身不断向外扩散而形成的；而材料阻尼是指振动波在 传递过程中由于各种材料不断吸收其能量而造成振动波能量损失的特性。由于这 两种阻尼在波的传播过程中是始终存在的，所以振动在经轨道、轨道板、桥梁进 而传入大地的过程中将不断存在能量上的损失，能量的扩散和经过各结构对能量 的吸收，车辆引起的振动强度在其传播过程中将有大幅度的衰减1 4 】【5 】。 2 2 城市高架轨道主要减振措施 现阶段，振动主要从以下3 方面进行控制：( 1 ) 减弱或消除振动起源来杜绝振 动；( 2 ) 在传播过程中采用吸收或隔振措施以削弱达到接受体的振动强度；( 3 ) 接受 体采取减振措施，减少对接受体的危害。 减振控制按照技术方法分可分为以下几种： 图2 - 2 振动控制技术分类 f i g2 - 2t h et e c h n o l o g yc a t e g o r yo f c o n t r o l l i n gv i b r a t i o n 针对高架轨道交通的振动控制问题，国内外先后进行过大量的研究。研究主 要围绕振源控制、振动传播控制以及材料和结构控制等三大方面展开。当前国内 外学者的主要研究内容包括：研究减振轨道、合理的高架桥梁结构形式等以降低 振源强度，研究隔振沟、阻振障、道床减振材料等以切断振动传播路径、衰减振 动幅度，调整轨道交通线路附近建筑物的自振特性以降低建筑物的振动，研究制 订轨道交通车辆结构物系统振动对城市环境影响的控制标准以及相应的规划和设 计技术对策。从理论上讲，控制振源是最根本的方法，但目前就我国的实际情况 来看，开展这一工作还存在一定困难。而针对以及建成的轨道交通系统，控制振 动传播以及阻尼技术的应用和设计就成了一种极为重要的手段。 2 2 1振源强度控制 理论上讲，控制振源是最根本的方法，降低振源强度可采取以下几种措施： ( 1 ) 减轻车辆的质量，合理设计悬挂刚度和阻尼，避免车辆与轨道产生共振。 ( 2 ) 保持路面的平坦，采用弹性车轮，充气橡胶车轮。它是在车轮上加设橡 胶件。这种橡胶块有承压型、承剪型和压剪型。其中以压剪型为最好。它可以吸 收和衰减一部分由车轮产生的噪声。该项措施在国外的应用均取得了良好的效果。 采用弹性车轮后，可降低1 5 5 0 h z 频段内的振动和噪声。列车在直线段运行时， 弹性车轮可降低噪声2 d b ，基本上消除了刚性车轮通过曲线时的尖啸声，动载荷横 向减少2 5 ，垂向减3 7 - 5 0 ，钢轨与车轮使用寿命提高2 5 4 0 。 ( 3 ) 提高钢轨的抗弯刚度，采用6 0 k g m 以上的钢轨。重轨具有寿命长、稳 定性能和抗振性能良好的优点。重型钢轨受冲击振动相对较小，可以降低钢轨振 动，减少受载后轨道的变形，为车轮运行提供一个较为平顺的轨面。 ( 4 ) 防振钢轨设计。在钢轨轨腰两侧粘贴( 或包覆) 防振吸音材料( 如橡胶、树 脂) ，可望获得较理想的降噪效果。为了最大限度地减小钢轨腹板振动引起的噪声， 可在钢轨腹板两侧粘贴减振橡胶和钢板( 如图2 3 所示) 。粘贴钢板是为了增加振动 质量，起到衰减振动的作用；粘贴橡胶则是阻尼振动，达到降噪目的。适用于需 特殊降噪地段( 0 n 医院、学校和住宅区附近) 。 图2 3 减振降噪型钢轨 f i g2 - 3t h er a i lo f r e d u c i n gv i b r a t i o na n dn o i s e ( 5 ) 尽量采用无缝线路。无缝线路可消除车轮对轨道接头的撞击，降低振动 强度，并可减少轨道的养护维修工作量。 ( 6 ) 采用合适的轨道结构型式，增加轨道的弹性。采用新型轨道形式。包括： 9 浮置板式轨道结构( 见图2 4 ) 。这种隔振系统在共振频率下的放大倍数很小。所 以减振降噪效果非常显著。广州地铁l 号线在部分区段采用了浮置板式整体道床。 铁道科学研究院铁建所该线轨道结构动态测试表明：采用浮置板式轨道边墙所产 生的垂直加速度要比采用普通整体道床轨道时降低7 8 8 。第一主频下降5 6 3 。 加速度级v a l 下降1 3 d b 说明浮置板式轨道对减小振动非常有效。弹性支撑块 式轨道结构( 见图2 5 ) 。轮轨振动经轨下胶挚得到第一次减振再经支承块块下胶挚 得到第二次减振。这样，振动的高频成分及其幅值得到了相当大的衰减，再传给 基础。这种轨道结构的施工方法国内已经相当成熟也具有很好的减振效果。 图2 _ 4 浮置板轨道结构形式 f i g2 - 4f l o a t i n gs l a bt r a c ks t r u c t u r e 图2 - 5 弹性支撑块式轨道结构 f i g2 - 5e l a s t i cs u p p o r tb l o c kt r a c ks t r u c t u r e ( 7 ) 避免轨道不平顺和车轮缺陷，应定期打磨钢轨和修整车轮，使其能够保 持良好的平顺性，以减少轨道的振动。采用钢轨打磨技术，以控制轨道的不平顺 度，保证轮轨接触面的良好状态，从而获得良好的减振降噪效果。实践表明，钢 轨打磨后，在振动频率为8 - 1 0 0h z 范围内，振动噪声可下降4 - 一8d b 。 ( 8 ) 采用适当弹性扣件，可以增加整体道床的弹性。减振降噪型扣件包括轨 1 0 道减振器扣件和柔性扣件。前者又称为科隆蛋，能有效地减少振动与噪声，为全 弹性分开式、三级减振。科隆蛋弹性扣件在减振要求较高地段采用。其承轨板与 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， 较d t i 型扣件的振动传递减少1 5 3 0d b ，较d t i i i 型扣件减少1 0 - - 2 0d b 。轨道减 振器扣件的垂直刚度较低，丽且不过度牺牲钢轨的横向稳定性。对于有砟轨道， 其减振水平为1 0 - 1 5d b ，当振动频率较高时可减振2 5d b 。其缺点是随着时i 日j 推移， 轨道减振器的震动性能会下降，所以要提高橡胶弹性元件的耐久性、抗老化性等 性能。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。 均已被证明具有不同程度的减振降噪效果，适应环保要求。 图2 - 6c o l o g n r e g g 弹性扣件 f i g2 - 6c o l o g n e - - e g ge l a s t i cf a s t e n e r 图2 7c o l o g n e - - - e g g 弹性扣件 f i g2 - 7c o l o g n e - - - e g ge l a s t i cf a s t e n e r ( 9 ) 高架城市轨道交通系统桥梁应优选混凝土梁以及整体性好、振动较小的 结构形式；合理设计跨度和自振特性，以避免列车与结构产生共振。对桥的侧梁、 钢梁都做消音处理，在桥面板上贴附制振材料。桥梁墩台采用桩基础，可获得较 好的减振效果。目前，国外高架桥结构大多采用箱形梁形式，如新建的巴黎快速 铁路高架桥和新加坡高架铁道均采用箱形梁。我国高架轨道也大都采用箱形梁桥 面、国内外学者一致认为，由于箱形梁内部空腔在轨道交通噪声主要频段内存在 声学模态，腔内的声场共振可能使桥梁的上下两个面的辐射声增加，而且，箱形 梁桥的底面是大面积的平面，声辐射效率比较高。因此，有必要研究箱形梁的减 振降噪措施。目前箱形梁的降噪处理有以下几类技术：桥下面装吸声顶棚；箱形 梁腔内设计安装隔板；安装桥梁吸振器等。 ( 1 0 ) 吸声桥面和路面研究。高架轨道交通线的桥面是声反射面，降低桥面的 声反射可以大大降低列车通过时的噪声。近年发展起来的各种多孔混凝土都可以 有效降低桥面的声反射，即在桥面铺浇一定厚度的多孔混凝土，既不影响检修者 行走，又有一定的吸声系数。但是，多孔混凝土对1 0 0 0 h z 以下的中低频噪声的吸 声效果不够理想。前期研究结果表明，高架轨道交通噪声中以5 0 0 h z 为中心的中 低频噪声占主要成分，所以研制能吸收适合低频噪声的桥面轻质吸声铺层十分重 要。 ( 1 1 ) 吸声结构研究。高架轨道交通噪声的各个声源中，桥梁振动的辐射噪声 对周边环境，尤其是低楼层有较大影响。国内外都有在高架桥反面安装吸声天棚 或悬挂空问吸声体的实例，取得了一定降噪的效果。高吸声、安全、美观、易清 洗保养是设计这类吸声结构的要点。目前还没有被大家普遍认同的高架桥吸声天 棚形式。 ( 1 2 ) 采用橡胶或减振支座进行隔振或采用振动控制装置抑制结构的振动【6 】【7 】 i o l 。 2 2 2传播路径控制 振动的传播路径控制主要以基础隔振的方式，由沟渠、橡胶衬挚、板桩墙及 桩等各种基础屏障来截断、散射及绕射各种应力波而实现。可以分为两大类： 一为主动隔离，即利用接近或围绕振源的屏障，阻隔或吸收由衰源发射出来 的波能。由于屏障接近振源，所以主要是阻隔实体波；另一类为被动隔离，即在 远离振源、靠近欲保护的建筑物基础处做屏障，阻隔或吸收传入建筑物的波能。 由于屏障远离振源，所以是以阻隔表面波为主。 对于高架沿线的建筑物，减轻振动污染的措施主要有隔振和通过改变结构自 振频率以避免共振两个主要方面的措施。 隔振就是把建筑物与振源隔离开，阻止振动波向建筑物输入。为了隔断振动 向建筑物的传播，可以在轨道两侧或者建筑物周围挖一定宽度和深度的隔振沟， 里面填充粗沙等颗粒状材料，也可以灌注水，当振动隔振沟的时候，会引起隔振 沟中所填充的物质的振动，粗沙沙粒之间相互摩擦，会产生热量，使振动的能量 转化为热能，在传递和辐射到周围环境中，这样就可以达到隔离振动的目的。为 了增强隔振的效果，在灌水的隔振沟中可以再加设一些格栅，以增大阻尼作用。 但隔振沟的挖设可能会受到一定条件的限制，不是所有的建筑物周围都适宜挖隔 振沟。在条件适宜的地方，可以考虑利用市政管线的沟渠兼作隔振沟。 避振措施是通过改变建筑物的自振频率，避开与地铁诱发的环境振动共振的 频率，可以减轻地铁沿线建筑物的振动。由于结构的自振频率与质量和刚度的分 布密切相关，所以通过调整建筑物的质量分布或局部构件的刚度大小就可以改变 结构的自振频率。改变结构质量分布的方法有： ( 1 ) 合理布置建筑物内部重型设备的安装位置； 1 2 ( 2 ) 调整楼板厚度，改变楼板重量分布； ( 3 ) 改变市内家具的布置位置，合理安排隔墙位置等。 改变结构刚度分布的办法有： ( 1 ) 进行建筑设计的时候，通过调整剪力墙、梁柱的布置以优化结构刚度； ( 2 ) 进行结构设计时，通过调整某些结构构件的尺寸和配筋以调节结构的刚度 分布； ( 3 ) 在既有建筑进行维修加固的时候，通过安装阻尼器等装置。 改变结构的刚度分布，与抵抗地震作用结合起来。建筑物的自振频率与地铁 诱发环境振动的频率之问差别越大，引起建筑物共振的可能性就越小，建筑物对 振动的响应也就会越小。所以在地铁沿线建造新建筑的时候，应该对建筑物的自 振特性进行分析，通过调节建筑物的质量和刚度分布使其自振频率与环境振动的 频率保持一定的差别，以避免引起建筑物过大的振动响应。 在线路沿线新建造房屋时也要采取相应的隔振措施和避免引起共振的措施。 具体措施包括以下几种： ( 1 ) 对轨道振动进行控制，减轻振源的振动强度，如采用重型无缝钢轨、弹性 扣件； ( 2 ) 切断振动的传播途径，如挖隔振沟； ( 3 ) 优化建筑物自振频率，避免振源与临近建筑结构之间由于低频耦合作用产 生共振现象【3 8 】【3 引。 1 3 3 有限元分析介绍 3 1 线路一桥梁基础模型的建立 城市高架无砟轨道系统是由车辆、钢轨、道床、扣件以及桥梁等组成。为了 更好地反映轨道、桥梁、基础之间的关系，本文将建立线路桥梁基础的三维模型， 将桥上运行的车辆模拟为移动荷载，并对其进行仿真分析。建立的线路桥梁基础 模型的具体情况如下： 3 1 1钢轨及扣件 钢轨视为弹性点支撑上的无限长梁，采用梁单元( b e a m l 8 8 ) 模拟u i c 6 0 轨， 在其材料属性中设置泊松比，弹性模量及密度；扣件、垫层分别用等效的弹性系 数和阻尼系数表示，采用弹簧阻尼单元( c o m b i n a t i o n l 4 ) 进行模拟，在材料属性 中设置相关参数。 3 1 2轨道 由于钢弹簧浮置板的固有频率很低，隔振效果好( 隔振比较见表3 1 ) ，技术 优势明显，且其应用于北京、上海、南京等城市，故本文主要对钢弹簧浮置板轨 道进行研究。 表3 - 1 隔振方案比较 t a b l e3 - 1t h ec o m p a r i s o no fi s o l a t i o nv i b r a t i o nm e t h o d s 隔振方案类型钢弹簧浮置板橡胶浮置板 克隆蛋、弹性套靴 隔振效果2 5 4 0 d b 以上1 0 b 1 8 d b5 1 0 d b 横向刚度高低，需限位装置较低，尤其在曲线段 系统阻尼比较高，有专有粘滞阻尼低 低 行车安全舒适性 无影响 磨损，振动噪声加大磨损 使用寿命5 0 年以上预计1 5 2 5 年 预计1 5 2 5 年 更换基本无需要 局部更换磨损或脱落处要更换 检修更换及周期工作量小，周期短工作人员多，周期长 工作人员多，周期长 更换对运营影响不影响很可能影响 可能影响 选用实体单元( s o l i d 4 5 ) 单元模拟钢弹簧浮置板轨道，设置其密度，弹性模 1 5 量，泊松比等参数；浮置板与桥梁之问的钢弹簧及横纵向连接都采用弹性阻尼单 元( c o m b i n a t i o n l 4 ) 模拟，故在竖直，横向、纵向三个方向上可以实现弹性支撑。 由于剪力铰和剪力筒分别埋设在两块相邻浮置板中间，纵向可以相对自由伸缩， 径向刚度很大，可以传递垂向载荷，保证相邻浮置板之间协同受力，故采用纵向 弹簧单元( c o m b i n a t i o n l 4 ) 模拟。 3 1 3桥梁结构 目前，国内外大多数城市轨道交通高架桥的梁部都采用箱梁。箱梁具有以下 优点： 1 箱梁的桥梁建筑高度适中，外观简洁、美观，线型流畅，景观效果比较好。 2 具有闭合薄壁截面，抗扭刚度大，整体受力性能好，动力稳定性好，用料 较省。箱梁顶板和底板都具有较大的面积，能有效地抵抗正负弯矩，并满足配筋 要求。尤其是在偏心荷载作用下，箱梁的整体受力情况较t 梁有利。 3 箱梁有嵌固在梁上的悬臂板，悬臂板的长度可以在一定范围内变化，而且 腹板的间距也能放大，因此箱梁能适应变宽截面，在区间直线段、曲线段及折返 线等处均可采用，便于统一同一条线路的梁型。 4 箱梁的适用范围比较广，可用于简支梁体系和连续梁体系，能适用于各种 跨度，各种墩形。设计与施工经验成熟，能满足标准化和现代化的施工要求。 故本文采用单箱单室箱梁。桥身，桥墩，承台，桩基础皆采用实体单元( s o l i d 4 5 ) 模拟，桥梁支座一端固定，一端活动。支座采用弹簧单元模拟。 3 1 4基础 由于天然土按其受力后所产生的应变值占的大小分为三类：s 1 0 2 时产生破坏性变形。对于交通 系统引起的振动，土的应变量一般为1 0 - 5 或更小的量级，因此在土体中产生的振动 波属于弹性波，土体的形变可以看作为弹性形变。故土体的相关属性设置为弹性 的，且按照实际地质资料分层布型1 1 。 3 2 轨道桥梁一基础模型参数选取 1 车辆的计算参数 车辆为四轴车，轴重1 6 t ，轴距2 5 m ，车辆定距1 5 m ，具体尺寸规格见下图： 1 6 妊， z 5 m 气：乙，了i - 1 誓 王5m l 辆。2 ，5 茹 1 5 m。2 ! 嘲 2 钢轨的计算参数 无缝线路 每延米钢轨质量：6 0 。6 4 k g m 钢轨截面积：a = 7 7 0 8 1 0 刁m 2 钢轨惯性矩：i = 3 2 0 3 1 0 。5m 4 钢轨高度：h - - 0 1 7 6 m 弹性模量：e = 2 1x1 0 n m 2 洎松比：= o 3 钢轨容重：p = 7 8 3 x 1 0 4 n m 3 3 钢轨扣件计算参数 扣件节点动刚度：5 2 6 k n m m 轨 扣件节点阻尼：5 1 0 4 n s m 扣件节点间距：0 6 m 4 浮置板的计算参数 本论文采用钢弹簧浮置板长3 3 米，高0 6 米。具体形式见下图： 图3 - 1 钢弹簧浮置板 f i g3 - 1t h ef l o a t i n gs l a bt r a c ko f s p r i n gm a d eo f s t e e l 浮置板混凝土强度等级：c 4 0 泊松比：0 1 7 6 弹性模量：e = 3 5x1 0 1 0n m 2 钢筋混凝土容重：p = 3 1 0 4 n m 3 5 钢弹簧的计算参数 钢弹簧竖向刚度：7 o 1 0 6 n m 钢弹簧水平刚度：8 0 1 0 6 n m 1 7 板下支座阻尼系数：6 x 1 0 4 n s m 板下支座纵向中心间距：2 m 横向中心间距：1 8 3 5 m 6 桥梁参数 桥梁具体尺寸如图： 扣鲤+ 一一业一o 十一盟叫雌监q 图3 - 2 箱梁截面尺寸( 单位：c m ) f i g3 - 2t h es e c t i o ns i z eo f b o xg i r d e r ( u n i t s ：c m ) 翦 图3 - 3 桥墩立面图( 单位：e r a ) f i g3 - 3p i e re l e v a t i o n ( u n i t s ：e m ) 萎l 羹 图3 4 墩顶平面图( 单位：c l i l ) f i g3 _ 4p i e rf l o o rp l a n ( u n i t s ：c m ) 表3 - 2 桥梁的主要参数 t a b l e3 - 2t h em a i np a r a m e t e r so fb r i d g e a 彝 i 箱梁墩柱承台及钻孔桩 l 混凝土 c 4 0c 3 0 c 2 5 钢筋：一i ，i i 级钢筋 7 基础的计算参数 表3 - 3 土层主要参数 t a b l e3 - 3t h em a i np a r a m e t e r so fs