（环境工程专业论文）双端质量在城市高架轨道环境振动控制中的应用分析.pdf

独创性声明 学位论文题目：塑遄厦量查撼直直塞垫道巫撞拯动控亟生丝廑旦佥盘 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加了特别标 注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同仁在文中作 了明确说明并表示衷心感谢。 yf 学位论文作者：娄哥移 签字日期：土o ；- - 盔r - 多月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆工商大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆工商大学研究生处可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本论文：拆保密，口保密 学位论文作者签名：娄鹂 签字日期：b o l 立# 多月o 日 期限至年月止) 。 锄签名缘c 、 签字日期：。2 d 7 许多月 目录 摘要l a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 城市高架轨道交通的环境振动公害4 1 3 研究发展状况7 1 3 1 振源的研究现状8 1 3 2 隔振措施的研究9 1 3 - 3 减振技术的研究1 1 1 4 我国的城市区域环境振动标准1 3 1 5 城市高架轨道环境振动的传播途径1 3 1 6 本文研究的主要内容1 4 第二章双端质量的设计、制作与测试17 2 1 引言17 2 2 振动元件的端口17 2 3 双端质量的概念18 2 4 液压传动式双端质量19 2 5 双端质量的理想动力学模型21 2 5 1 理想惯性动力学特性的建模2 1 2 5 2 理想的等效惯性质量2 1 2 6 动力学模型的实验验证2 1 2 6 1 实验平台2 1 2 6 2 实验架构2 2 2 6 3 数据采集控制系统的改进及参数设置2 3 2 6 4 测试平台的实验参数设置2 6 2 6 5 数据处理与实验结果2 8 2 7 双端质量的力学符号3 1 2 8 本章小结31 第三章基于双端质量的高架桥墩最优隔振仿真分析3 3 3 1 引言3 3 3 2 振动系统力学模型的建立3 3 3 3 环境振动的基本评价量3 4 3 4 计算方法极大极小点法3 5 3 5 高架桥墩的二自由度动力学模型3 5 3 6 桥墩支座的参数对振动传递控制性能的影响计算3 7 3 6 1 传统桥墩支座的分析3 7 3 6 2 新型桥墩支座的分析3 8 3 7 振动传递控制性能分析4 0 3 7 1 传统高架支座结构最优振动传递控制性能仿真4 0 3 7 2 新型高架支座结构最优振动传递控制性能仿真4 2 3 8 结果与讨论4 3 3 9 本章小结4 4 第四章基于双端质量的轻轨车辆悬架的振动控制方法一4 5 4 1 引言4 5 4 2 轻轨车辆的概述4 5 4 3 车辆悬架4 6 4 4 传统的轻轨车辆悬架的二自由度动力学模型4 6 4 5 应用双端质量后新型的轻轨车辆悬架隔振模型5 0 4 6 基于双端质量的轻轨车辆振动控制单目标优化分析5 4 4 6 1 传统悬架结构最优隔振控制性能仿真5 5 4 6 2 新型悬架结构最优隔振控制性能仿真5 6 4 6 3 结果与讨论5 8 4 7 本章小结5 9 第五章结论与展望6 1 5 1 结论：6 1 5 2 展望6 2 参考文献6 3 致谢6 7 附录一6 9 重庆工商大学硕士学位论文 摘要 随着现代工业、交通运输、城市建设的发展，环境噪声与振动污染已成为环 境影响最大的公害之一。城市高架轨道交通带给人们出行方便快捷，同时也由于 其高速行驶所产生的环境振动、噪声对大都市的生活环境和工作环境造成很严重 的影响。城市轨道交通荷载所引起的环境振动通过桥墩及地层向外传播，进一步 诱发高架沿线两侧及邻近建筑物、室内家具、实验仪器等二次振动和噪声污染， 这是对人们居住环境的最为严重的污染之一。国际上把由交通引起的环境振动列 为七大环境公害之一。 本文首先分析了由城市高架轨道交通产生振动的环境影响，指出对振动的研 究是一项迫切的任务，须采取有效措施对振动施行有效的控制及利用，防止和减 少振动对人类的生活生产所造成的有害影响。还有对目前城市轨道交通环境振动 与振动噪声研究的发展状况进行了简单的综述，在此基础上，设想应用新型减振、 隔振装置一j 双端质量元件。 其次，概述了城市高架轨道交通的现状以及其发展优势，介绍了我国的轨道 交通的现状，由此说明了振源产生以及轨道系统的振动对沿线周边环境产生的影 响，详述了振动引起的环境污染和带来对人们的健康伤害，正是在这种背景下着 手研究其引起的振动危害，并提出了相应的减振与隔振方法。 然后，通过基于双端质量的高架桥墩最优隔振的分析研究，提出将双端质量 这一新型减振元件引入到城市轨道的高架桥墩的隔振控制。在建立了基于双端质 量的高架桥墩减振动力学模型的基础上，利用m a t l a b 软件对双端质量等动力学 元件进行最优匹配计算，与传统高架桥墩进行性能对比。 最后，通过基于双端质量的轻轨车辆振动控制方法的研究，分析轻轨车辆振 动是城市高架轨道环境振动的主要振源。通过采用双端质量来控制轻轨车辆的振 动，研究环境振动对乘客乘坐轻轨车辆的舒适性的感觉影响为考虑因素，以悬架 的振动传递性能为对比指标，在最优化参数的条件下，用m a t l a b 软件对仿真算 例进行数值求解，比较出应用双端质量后的新型悬架其性能，得出可以有效降低 城市高架轻轨对环境的振动污染的结论。 关键词：环境振动双端质量高架轨道隔振控制建模与优化 重庆工商大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r i e s ，t r a n s p o r t a t i o n ，u r b a nc o n s t r u c t i o n e n v i r o n m e n t a ln o i s ea n dv i b r a t i o np o l l u t i o n sh a v eb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n t i m p a c t so fp u b l i cn u i s a n c e w h i l eo f f e r i n gp e o p l ef a s ta n dc o n v e n i e n tc o m m u n i c a t i o n s ， e l e v a t e du r b a nr a i lt r a n s i th a sc a l l s - e dav e r ys e r i o u si m p a c td u et oi t sh i g hs p e e d ， a m b i e n tv i b r a t i o n ，n o i s ea n dw o r k i n ge n v i r o n m e n t t h eu r b a nr a i lt r a n s i t sl o a dc a u s e s t h es e c o n d a r yv i b r a t i o no nt h ep i e r , a n df u r t h e ri n d u c i n gv i b r a t i o na n dn o i s ep o l l u t i o n o i la a j a c e n tb u i l d i n g s ，f u r n i t u r e ，a n dl a b o r a t o r yi n s t r u m e n t s t h i si so n eo ft h em o s t s e r i o u sp o l l u t i o n si np e o p l e sl i v i n ge n v i r o n m e n t a c c o r d i n g l y ，i th a sb e e nr e g a r d e da s o n eo ft h es e v e nm a jo re n v i r o n m e n t a lh a z a r d s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ee n v i r o n m e n t a li m p a c to fu r b a ne l e v a t e dr a i lt r a n s i t v i b r a t i o ni sf i r s ta n a l y z e d i ti ss h o w nt h a tt h ev i b r a t i o nc o n t r o li sa l lu r g e n tt a s k e f f e c t i v em e a s u r e sh a v eb e e n a n t i c i p a t e dt op r e v e n ta n dr e d u c et h ep r o d u c t i o no f v i b r a t i o no nt h eh u m a nl i f ea n dh a r m f u le f f e c t s a l s ot h e r ei sas i m p l eo v e r v i e wo ft h e d e v e l o p m e n to fu r b a nr a i lt r a n s i te n v i r o n m e n tv i b r a t i o na n dn o i s e ，w h i c hc a l l sf o rt h e a p p l i c a t i o no fan e w v i b r a t i o ni s o l a t i o nd e v i c e ，t w o t e r m i n a lm a s s i na d d i t i o n jt h es t a t u so fu r b a ne l e v a t e dr a i lt r a n s i t ，a sw e l la si t sa d v a n t a g e sf o r d e v e l o p m e n t ，t h es t a t u so fc h i n a sr a i lt r a n s p o r ti si n t r o d u c e d t h ei m p a c to fl o c a l o s c i l l a t o rg e n e r a t i o na n dv i b r a t i o no ft h er a i ls y s t e ma l o n gt h es u r r o u n d i n g sa r ea l s o i l l u s t r a t e d i td e t a i l st h ee l l v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nc a u s e db yt h ev i b r a t i o n ，h a r mt o p e o p l e sh e a l t h ，a sw e l la st h ec o r r e s p o n d i n gv i b r a t i o ni s o l a t i o n m e t h o d s s u b s e q u e n t l y , t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e s t h ev i a d u c tp i e ro p t i m i z a t i o nu s i n ga t w o t e r m i n a lm a s s t h ev i a d u c tp i e rd a m p i n gd y n a m i cm o d e li sc o n s t r u c t e db a s e do n t h et w o - t e r m i n a lm a s st om i n i m i z ev i b r a t i o nd e c i b e l s m a t l a bs o f t w a r ei se m p l o y e d t oc a l c u l a t et h eo p t i m a lp a r a m e t e r s t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e ds t r u c t u r ei s c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lv i a d u c tp i e r b ya n a l y z i n gt h el i g h tr a i lv e h i c l ev i b r a t i o nc o n t r o lm e t h o d su s i n gat w o t e r m i n a l m a s s ，f i n a l l y , i ti ss h o w nt h a tt h el i g h tr a i lv e h i c l ev i b r a t i o ni st h em a i nv i b r a t i o ns o u r c e o ft h ee n v i r o n m e n t a lv i b r a t i o no ft h eu r b a ne l e v a t e dt r a c k t h r o u g ht h eu s eo ft h e i n e r t i a lm a s so ft h el i g h tr a i lv e h i c l e st oc o n t r o lv i b r a t i o n ，t h ep a s s e n g e rc o m f o r ti s t a k e na sai n d e xt or e s e a r c ht h ev i b r a t i o nt r a n s m i s s i o np r o p e r t i e so ft h es u s p e n s i o n t h e o p t i m a lp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e df r o mt h en u m e r i c a ls o l u t i o no f t h es i m u l a t i o ne x a m p l e s b ym a t l a bs o f t w a r e c o m p a r et h ep e r f o r m a n c e so ft h es u s p e n s i o n sw i t ha n d w i t h o u t i l 重庆工商大学硕士学位论文 at w o t e r m i n a lm a s s ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h en e ws u s p e n s i o nc a r le f f e c t i v e l yr e d u c et h e e n v i r o n m e n t a lv i b r a t i o np o l l u t i o nf o rt h eu r b a ne l e v a t e dr a i l s k e y w o r d s ：e n v i r o n m e n t a lv i b r a t i o n ；t w o t e r m i n a lm a s s ；e l e v a t e dr a i l ；v i b r a t i o n i s o l a t i o nc o n t r o l ；m o d e l i n ga n do p t i m i z a t i o n 1 1 i 重庆工商大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 当今，社会的全面发展使得人类与环境之间的作用与反作用不断加深。在世 界人口的持续增长与经济科技的飞速发展的同时，环境和环境污染问题正逐渐引 起人们的重视。多年来，许多国家都采取了主观的措施和对策来防止污染和解决 环境问题，从而客观上促进了环境工程学的兴起和发展。 环境工程学是工程学的一个重要组成部分，是一门运用环境科学、工程学和 其他相关学科的理论和方法，研究保护和合理利用自然资源，控制和防治环境污 染与生态破坏，以及改善环境质量，使人们得以健康、舒适地生存与发展的学利1 | 。 它有着两个方面的任务【2 】：一要保护环境的质量状况，使其免受和消除人类活动对 它的影响；二要保护人类的健康安全，使其免受和降低环境因素的不利损害。 环境工程学的基本内容主要有以下几个方面 2 】：水质净化与水污染控制工程 大气污染控制工程固体废弃物控制及噪声、振动与其他公害防治工程清洁 生产、污染预防与全过程污染控制工程环境规划、管理和环境系统工程环境 监测与环境质量评价。 环境中的物理性污染主要有：噪声污染、电磁辐射污染、振动污染、放射性 污染、光污染和热污染等【2 j 。环境振动污染指的是当机器设备的使用、运输工具的 运行等引起附近地面的振动，并以波动形式传播到周围的建筑物，产生过量的振 动会使人不舒适、疲劳，甚至导致人体损伤，同时振动将形成噪声源，以噪声的 形式影响或污染环境【2 j 。环境振动污染是环境污染的一个方面【3 】o 随着现代工业、 交通运输、城市建设的发展，环境噪声与振动污染已经成为城市环境影响的最大 公害之一。( 公害指的是凡是由于人类活动引起环境污染和环境破坏，对公众的健 康、安全、生命、公私财产及生活舒适性等造成的危害m j 。) 国际上已经把振动列 为七大环境公害之一【5 j 。( 空气污染、水污染、土壤污染、噪声、振动、恶臭、地 层下陷被视为“七大环境公害”) 。 振动是一种很普遍的运动形式，在大自然界、日常生活及生产过程中极为常 见。当物体在其平衡位置围绕平均值或基准值作从小到大，又从大到小的周期性 往复运动时，就可以说该物体是在振动【6 j 。从高层建筑的随风晃动到昆虫翅翼的微 弱抖动都属于振动现象。振动以各种形式存在着客观世界里，人类身体的器官组 织每时每刻都处在振动之中，例如，心脏的搏动，血液的循环，脉搏的跳动，胃 肠的蠕动，肺部的张缩，耳膜的振动，声带的振动等，人类的生存与生活与这些 有用的振动密切相关。人类日常的生活生产无时无刻不置于振动之间，比如，汽 重庆工商大学硕士学位论文 车、火车、飞机等交通工具的振动，机床、车床、发动机等机械设备的振动，家 电、钟表、手机等生活用品的振动，地震、打雷、闪电等自然现象的波动。 振动可以分为有害的与有用的两大类。 有用的振动，例如，在音乐艺术方面，拨动琴弦能够演奏出美妙动人的音乐； 在医疗应用方面，利用超声波能够诊断和治疗疾病；在土建工程方面，采用振动 沉桩、振动拨桩及混凝土灌注的振动捣固；在电子技术方面，收音机、电视机及 程控电话诸多电子器件，电子计时装置与通讯设备的谐振器；在地质工程方面， 采用振动进行检测和地质勘探；在原油开采方面，利用振动提高原油产量；在海 洋工程方面，潮汐的波动能量可以发电；在工矿开采方面，利用振动技术才能完 成许多工艺流程，提高某些机器的工作效率。据不完全统计，应用振动原理的机 械设备领域广阔，目前已经投入使用的工业生产的振动机有种类数百种，比如各 种形式的振动筛、振动压路机、振动给料机和振动成型机等i 6 j 。 有害的振动，例如，在交通运输中，运载工具的振动会使乘客感到不舒适； 在日常生活中，环境噪声使人感到烦躁不安；在建筑工程中，共振及次谐波共振 会引起机械设备、桥梁结构、房屋构架的破坏；在自然灾害中，地震及地震波使 人民的生命财产遭受严重损失。可听声音的频率范围为2 0 2 0 0 0 0 h z ，而人能感受 至0 的振动频率范围为1 1 0 0 h z ，振动按频率范围分为低频振动( 3 0 h z 以下) ，中频 振动( 3 0 1 0 0 h z ) 和高频振动( 1 0 0 h z 以上) 。对于人体最有害的振动频率是与人 体器官的固有频率共振。人体在6 h z 附近；内脏器官在8 h z 附近；头部在2 5 h z 左右；神经中枢则在2 5 0 h z 左右【7 1 。振动的有害影响是多方面的，它损害振动作 业工人的身心健康，影响人们的工作效率，干扰居民的正常生活，还影响或损害 建筑物、精密仪器和工程设备等瞵j 。 另外，进入新世纪后全球城市人口急剧增加，目前世界上已有7 0 亿个居民。 据联合国统计，2 0 0 0 年1 2 月全世界1 0 0 万人口的城市才有3 4 1 座，预计到2 0 5 0 年，这一数字将增加到6 0 0 左右【9 1 。中国城市发展问题观察报告指出，中国城 市发展迅速，2 0 1 0 年百万人口以上的城市己达1 2 5 个左右。由于大城市人口激增， 汽车车辆急剧增多，给城市带来了空气污染、交通堵塞拥挤、环境污染与能源危 机等一系列问题。世界上很多城市都存在着不同程度的“乘车难”和“行路难” 问题，发展城市公共交通、缓解交通拥堵是当今世界众多大城市亟需解决的问题， 而发展城市轨道交通系统是目前解决城市交通日趋繁忙的最为有效的手段。所以， 世界各地的大中城市都在发展以轨道交通方式为骨干的城市客运交通网络。 所谓城市高架轨道交通，是指在城市公共交通系统中使用大运量、高效率、 低能耗的地铁、轻轨等运载工具，且承载结构中应用造价较低、易于施工、有效 节约耕地的高架结构的公共客运方面的交通，它具有“速度快、安全可靠、不占 重庆y - 商大学硕士学位论文 用地面道路”等特点，成为缓解城市交通拥挤和减少碳排放量的一种有效手段。 轻轨交通中的高架路线、地铁交通中的高架部分都是属于城市高架轨道交通。 随着城市建设的迅猛发展，世界上很多大型城市为了提高空间利用率，设计 和建设了多层的高架道路、地下铁道、轻轨交通正日益形成一个立体空间交通体 系，与此同时，交通密度也不断增加，交通荷载( 部分地) 逐渐加重，使得振动和噪 声的影响日益明显。如在日本东京以及我国北京、香港、上海、广州、南京等大 城市，市区内的立体交通道路存在多层( 最多达到五至七层) 的现象，而离建筑 物的最短距离仅有几米，有的紧贴着建筑物，甚至有的从建筑物中穿过。 在城市高架轨道交通系统的蓬勃兴起、带给人们出行方便和促进社会经济发 展的同时，也给交通线路附近的环境造成了越来越严重的振动影响。由运行车辆 对轨道的冲击而产生振动，并通过桥梁墩台传递到周围的地层，进而通过基础土 壤向四周传播，致使建筑物的结构和室内家具、电器设备等诱发二次振动同时产 生振动污染，高架轻轨使城市的环境振动问题比较严重【l 。 文献 1 1 】对我国几个典型城市的调查结果表明，轨道交通车辆引起的环境振动 水平较高。根据城市轨道交通管理相关部门的实测，距线路中心线3 0 m 四周的振 动可达9 0 d b 。地铁列车通过期，在地面建筑物上引起振动的持续时间大约为1 0 s 。 在同一条线路上，高峰时两个方向1 小时内通过3 0 多对列车，振动作用的持续时 间可达到总工作时间的1 5 - - - 2 0 。当城市轨道交通运行时，会激起周边建筑物基 础、墙体、梁柱、天花板、门窗、管道等振动，振动容易激发建筑物楼板和墙体 的弯曲共振，从而产生振动噪声。该类噪声通常为低频噪声，一般峰值频率在2 0 - - 一 2 0 0h z 范围，声级在5 0 d b 以下。研究结果表明，在建筑物室内，该类噪声达到 3 5 4 2 d b 时，人们已会有不同程度的反映，超过4 2 d b 时，则多数人会感觉明显【l 引。 根据文献【l3 j 实测结果可知，振动的分布有以下特点：在振源的频率分布上， 以人体反应比较敏感的低频为主，其中5 0 ，- - - - 6 0 h z 的振动强度较大；在列车速度的 影响上，随着行车速度的提高，振动有增大的趋势；就地面振动随距离的衰减而 言，距轨道中心线越近，同一列车引起的地面振动越大，反之则越小。 文献【1 4 j 是最近在我国某城市轻轨车辆段四周进行了现场测试，结果表明：当 轻轨列车以1 5 2 0 k m h 的速度通过时，轻轨交通的正下方居民住宅的振动达到 8 5 d b ，当轻轨速度达到正常运行的7 0 k m h 时，其振动高达1 4 0 d b 。目前由轻轨运 行引起的环境振动已经不同程度地影响了居民的日常生活。当轻轨高速通过高架 桥梁时，轻轨速度将达到甚至超过空气波速，引起地面和周围建筑物的强烈振动。 文献【15 j 对于基础良好、质量较大的高层钢筋混凝土建筑的固有频率低，不易 被激励起较大的振动，因而其所受的铅直向z 振级相比较从土壤传来的振级已经 有了相当大的衰减，衰减量可达1 0 2 0 d b ，因此在距高架轨道的间隔距离3 2 m 处， 重庆工商大学硕士学位论文 曼曼曼皇曼曼量曼鼍曼曼曼曼量曼曼! 曼曼曼曼曼皇曼詈詈曼曼曼曼舅曼曼曼i i i i 一；i i ii 曼 高层建筑物地下室内实测的振级不大于6 0 d b ，一层以上就测不出轻轨行驶时引起 的振动；基础一般的砖混结构的住宅楼可衰减5 1 0 d b ；而基础较差的建筑，如轻 质结构或浅基础的建筑，则衰减量很少，其振级与土壤的振级相接近，严重的还 会出现室内振动大于室外地面振动的现象。 还有，现代建材及施工技术的革新，越来越多的轻质高强材料被使用。使得 一建筑物具有的固有频率和阻尼都相对比较低，更加容易受至0 地面振动的影响【1 0 】。 另外，人们对生活质量的要求越来越高，对于同样水平的振动，过去可能不会看 成是什么问题，但是现在却越来越多地引起公众的强烈反感。 1 2 城市高架轨道交通的环境振动公害 具体说来，城市高架轨道交通产生的环境振动的公害主要表现在以下几个方 面：( 1 ) 对建筑物安全的振动影响；( 2 ) 对曰常生活和工作的影响；( 3 ) 对人体健康 的影响；( 4 ) 对精密仪器、敏感设备的使用影响。 ( 1 ) 环境振动对建筑物安全的振动影响 城市高架轨道交通运行时产生的振动会传递到建筑物的基础、楼板或其相邻 结构，可以引起它们振动，这种振动以弹性波的形式沿着建筑结构进行传递，使 相邻建筑物的空气发生振动，并产生辐射声波，引起所谓的结构噪声。由于固体 声衰减缓慢，可以传递到很远的地方，所以常常会造成大面积的结构噪声污染。 城市高架轨道交通引起的振动虽然不像具有强烈破坏性的地震那样对现代建 筑物产生倒塌的直接危害，但是环境振动具有持久性、隐蔽性，随着时间的推移， 它会加剧古旧建筑物的变形开裂和影响建筑物的正常使用。很多由石材等脆性材 料建成的各种古建筑，微小的环境振动会使石材间的灰泥出现裂缝，导致石块问 的连接失效，使原本就很脆弱的古建筑结构更加恶化。振动能够削弱建筑物的结 构强度，在较强振源的长期不断作用下，建筑物会出现墙壁裂缝，基础下沉，甚 至当振级超过1 4 0 d b 时发生建筑物倒塌的现象【l 0 i 。 在西欧国家捷克，繁忙的轨道交通使得线路附近的一些砖石结构式古建筑产 生裂缝，其中p r a g u e 、h u s t o p e c e 、h o s o v 等地竟然发生了由于裂缝不断扩大而导 致古教堂倒塌的恶性事件f 川。另外，我国西安的大雁塔、杭州的六合塔、苏州的 虎丘塔、北京的戒台寺等很多著名的历史遗迹也都不同程度地受到了环境振动的 破坏，造成了很多不同深浅的裂缝，甚至有些情况十分严重。环境振动虽然短时 间内看似没有毁坏这些古旧建筑物，但是加快了这些建筑物的破坏速度。 环境振动同时也对现代建筑的正常使用有着不可低估的影响。京一广铁路线 中在石家庄北二环附近有三栋建筑物距离线路较近，最近的只有1 4 m ，当列车通 过时，室内居民能够明显的感觉到建筑物的振动，房屋建成8 年后出现部分墙面 重庆工商大学硕士学位论文 不同程度的裂缝1 1 】；另据报道，西直门附近距铁路线约1 0 0 m 处的一座五层居民楼， 当列车通过时可感觉到室内有较强的振动，门窗和家具上的玻璃发出较大噪声， 一段时间后室内家具是由于振动而发生了错位；北京地铁2 号线的部分车站内的 瓷砖壁画，也是由于长期受列车的振动影响而导致脱落，不但影响了车站的美观 而且还对行车安全、乘客人身造成了一定的潜在危斛j 。 ( 2 ) 环境振动对日常生活和工作的影响 在日常生活中，许多人都会觉得在街道两旁或者距离交通线路很近的房子内 总是睡不踏实，其祸根之一就是交通引起的振动。据日本建设省的调查，交通引 起的振动影响人睡眠的投诉率最高，约占4 5 ，其次是精神损伤和房屋破坏，分 别占2 0 左右【1 7 】。振动与噪声的相结合会严重影响人们生活，降低工作效率，有 时会影响到身体健康。一般来说，环境振动对居住在交通线路附近的居民睡眠的 影响规律是振动强度愈高，对人们入睡程度和睡眠深度的影响愈明显。当振动加 速度级在6 5 d b 以下时，对睡眠的影响不大；达到6 5 d b 时对睡眠有轻微影响；达 到6 9 d b 时所有睡眠较轻的人将被惊醒；达到7 4 d b 时除酣睡的人外其他人将被惊 醒；到达7 9 d b 时所有的人都将被惊醒6 i 。 振动除了影响人们的正常休息外，还会影响到人们的正常工作。振动对人视 觉的影响非常严重，长期的振动作用会使人的视敏度、视野、色觉都会变差而导 致注意力和动作的准确性大大下降【】1 1 。振动还会妨碍精力集中，特别是在振动和 噪声共存的环境中，人的大脑思维受到干扰，视觉受到影响后，将会难以集中精 力进行判断问题、思考运算和操作控制，造成工作效率的降低。 ( 3 ) 环境振动对人体健康的影响 有关数据表吲1 6 1 ，当铅直向z 振级( 简称振级) 超过7 0 d b 时，人们就可以感 觉到振级。超过7 5 d b 时，人们会产生烦躁感。超过8 5 d b 以上，就会严重干扰正 常的生活和工作，甚至损害人体健康。强烈的地面振动源不但可以产生地面振动， 还能产生很大得撞击噪声，有时可达1 0 0 d b ，这种空气噪声以声波的形式进行传递， 从而引起环境噪声污染，影响人们的生产生活。 从生理学的角度看，人体是一个复杂的系统，可以近似等效于一个机械系统。 它包含着若干线性和非线性的“部件”，并且“部件”的机械性很不稳定。骨骼 近似为一般固体，但比较脆弱；肌肉比较柔软，并有一定的弹性，心肝脾胃等身 体器官都可以看成弹性系统。从医学研究表明，人体的各部分器官都有其固定频 率，当振动频率接近某个器官的固定频率时，就会引起共振，对该器官影响较大。 如胸腹系统对3 8 h z 的振动有明显的共振响应；对于头颈肩部分共振的频率为 2 0 3 0 h z ，眼球为6 0 9 0 h z ，“下颚一头盖骨”为10 0 2 0 0 h z 1 6 】。 振动主要通过振动振幅和加速度对人体造成危害，其危害程度与振动频率有 重庆工商大学硕士学位论文 曼皇皇曼曼曼曼量曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼皇皇i i ii 一一i 舅! 曼曼曼皇曼! ! 曼舅舅曼曼曼曼曼鲁曼曼曼蔓皇曼量! 曼鼍孽曼舅 关：在高频率振动时，振幅起主要作用；在低频率振动时，则是加速度的影响是 主要的。在振动频率为4 0 1 0 0 h z ，振幅达到0 0 5 1 3 m m 后，就会引起末梢血管 痉挛；当振动频率为1 5 - 2 0 h z ，加速度增大时，就会使血管、内脏移位和引起前 庭位置反应，造成不同程度的皮肉淤肿，骨折，器官破裂和脑震荡 16 1 。 人若是长期处于振动环境中，会因为接触不同频率的振动而受到不同程度的 伤害【1 1 1 。在内脏系统方面，由于振动感觉器官遍布全身，再加上振动容易引起 人体内脏器官的共振，所以即使是轻微的振动也会使人心烦意乱，危害身心健康。 人体各部位都有其固定频率，如胸腹系统的固有频率为3 8 赫兹。当振动频率和 人体内脏器官的固有频率接近时，将产生共振，导致呼吸加快、血压改变、心跳 加快、心肌输出血量减少等，会直接损伤内脏器管，严重者甚至会导致死亡。 在消化系统方面，会导致胃肠蠕动增加、胃下垂、胃液分泌过少和消化能力下降、 肝脏的解毒功能发生障碍等。在神经系统方面，会导致出现交感神经兴奋、键 反射减退或消失、手指颤动或习惯性失眠等。在肌肉组织方面，对足部和腿部， 即使振动强度不高，但是由于长期影响也会造成腿痛、麻木及腿部肌肉有触痛， 足背部脉动减弱，趾甲床毛细血管痉挛等。在情绪心态方面，环境振动还会对 人的情绪心态造成危害，振动对人情绪的影响与振动频率、振动加速度和人体承 受振动的持续时间等有关。 振动按其对身体的影响，可以分为全身振动与局部振动【16 i 。全身振动是指振 动通过支撑面传递到整个人体，主要是在运输工具或者振源的附近发生的。局部 振动是指通过作用于人体的某些部位，比如使用电动器具，通过手柄传递到人的 手臂系统，往往会产生不舒服，降低工作效率，危机身体健康。医学研究表明， 人体受到振动的时间越长，危害越大。长时间的从事与振动有关的工作会患有振 动职业病，表现为听力损伤，手麻体痛、全身无力，注意力不集中，头晕呕吐甚 至引起中风。 ( 4 ) 环境振动对精密仪器的使用影响 由振动引起的对机器设备、仪表的破坏，主要表现为干扰机器设备、仪表的 正常使用，引起读数不准，对工作精度造成影响；同时由于设备、仪表的刚度和 强度的损伤会造成其使用寿命的降低，甚至造成设备事故的发生引。2 0 0 9 年建成 通车的北京地铁4 号线，在建设初期就列车通过成府路时可能会影响到北京大学 物理楼内精密遥感设备的问题进行过激烈的讨论，对此处的振动问题进行了详细 的理论分析和试验研究，并采取了相应的减振、隔振措施。上海的光源工程也有 过类似的担忧l l 。 振动对精密仪器、设备的影响主要表现在以下三个方面：振动会影响精密 仪器、仪表的正常运行。影响仪器、仪表刻度阅读的准确性和阅读速度，甚至根 6 重庆工商大学硕士学位论文 本无法读数。如振动过大，会直接影响仪器、仪表的使用寿命，甚至受到破坏。 对某些灵敏的电器，如灵敏继电器，振动甚至会引起其误动作，从而可能造成 一些重大事故。振动会使精密机床的加工精度下降，粗糙度上升，使质量无法 保证。当振动过大时，会直接造成精密机床的刀具、精密部件受到损坏。 由此可见，由城市轨道交通高速行驶的车辆( 轻轨、地铁) 会引起附近地面 的振动，并以波动形式传播到周围的环境，对建筑物安全、日常工作生活、人体 健康以及精密仪器、敏感设备使用等造成很大影响，也时常干扰邻近居民的生产 与生活环境，造成不同程度的环境污染，使人们更加关注由振动而引起的环境公 害问题，因而对环境振动防治对策的研究已经成为一个重要的研究方向。 1 3 研究发展状况 在轨道交通诞生后的近一百年的时间里，由于城市建筑群相对稀疏，交通车 辆引起振动的幅值和能量都比较小，没有对建筑物的结构安全造成严重影响，环 境振动问题以及对周围环境的影响并没有引起人们的重视。现在，城市轨道交通 的环境振动与振动噪声的研究已经是国际学术界和各国政府十分关心的一个课 题。在欧洲一些国家以及美、日等国，交通环境振动与振动噪声早已引起各国政 府、铁路运输部门、研究机构和高等院校的高度重视，多国政府发布的环境噪声 绿皮书都对交通环境振动与振动噪声给予了充分详实的叙述。迄今为止已经召开 了七届“有轨运输系统噪声国际会议”( i n t e r n a t i o n a lw o r k s h o pr a i l w a ya n d t r a c k e dt r a n s i ts y s t e mn o i s e ，简称i w r n ) 。 在国内，目前我国建成拥有或正在施工的轨道交通的城市越来越多。近年来， 对于振动有可能影响周围环境质量和周边建筑物内居民生活和工作等多方面进行 过论证，例如：规划中的西直门至颐和园的轻轨快速交通可能对四周的文化和科 研机构产生振动影响；筹划中的地铁南北中轴线可能对故宫等古建筑产生振动影 响；完工并开通的京沪高速铁路沪宁段高速列车对苏州虎丘塔可能产生振动影响 等。为此，国内很多研究机构已经开始结合北京、上海、广州、南京、香港等大 城市修建地铁、轻轨交通系统时车辆引起的环境振动题目进行研究。 许多国家已经开始着手研究环境振动产生的原因、传播途径、污染规律、对 人体的危害以及控制方法等方面的内容。在这些研究课题中，为降低振动或控制 振动的不利影响，是从降低振源的激振强度、切断振动的传播途径或在传播途径 上削弱振动、合理规划设计使建筑物避开振动影响区等方面着手。研究方向主要 关于如下几点： 重庆工商大学硕士学位论文 1 3 1 振源的研究现状 高架轨道交通引起环境振动的振源模型就是车辆和桥梁动力相互作用的模 型。最早研究车桥动力相互作用的文献见于1 8 4 9 年w i l l i s 写的一份关于桥梁振 动的报告，分析了c h e s t e r 桥梁垮塌的原因 1 8 】，在以后1 0 0 多年的历史中，各国学 者对车一桥动力耦合作用进行了广泛而深入的研究。 研究的主要内容是关于激励源的问题。引起车桥系统振动的原因可以分为 系统外部激励和系统内部自激励两大类。系统外部激励主要有：风荷载、地震荷 载、列车以一定速度过桥时的重力加载( 其加载频率是影响桥梁动力冲击系绒的主 要因素) 和列车在曲线桥上运行时的离心力荷载【1 0 1 。系统内部激励主要有以下几 种：轨道不平顺、轮轨蛇行、轮对偏心和轮缘不平顺。目前随着计算机应用的发 展，轮轨接触理论研究有- r - f 大的突破，美国、日本、欧洲一些国家以及国内许 多研究单位，基本上都是采用轨道不平顺谱或实测的轨道不平顺数据作为车桥振 动系统的激励源。 ( 1 ) 关于系统外部激励 英国铁路管理局研究发展部技术中心测试了车辆引起的地面振动，对行车速 度、激振频率和轨道参数的相关关系以及共振现象进行了实验研究【l 。 瑞士联邦铁路和国际铁路联盟( u i c ) 实验研究所( o r e ) 共同执行了一项计 划，以a z a c h 和gr u t i s h a u s e r 为首的研究小组研究了地铁列车和隧道结构的振动 频率不h d h 速度特征，从设计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i i 叫。 ( 2 ) 关于系统内部激励 美国g p w i l s o n 等针对铁路车辆引起的噪声和振动，通过采用改善道床的结构 形式( 采用浮板式道床) 和革新车辆转向架的构造以减少轮轨接触力的方法，并 提出了控制车辆引起的噪声和振动的建议l l 。 日本是振动环境污染最为严重的国家之一，实施的公害对策基本法中明 确了振动为七个典型公害之一的同时，还规定了必须采取有效措施来限制振动。 在限制振动法中特别对交通振动规定了要求措施，以保护生活的环境和人民 的健康。t f u j i k a k e 、青木一郎和k h a y a k a w a 等 1 9 ，2 0 ，2 1 】分别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四周居民的影响进行了研 究，验证了四周环境振动水平的猜测