移动荷载作用下轨道—地基系统的动力特性分析
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摘要
列车在运行时产生的振动会通过周围地层向外传播，并进一步诱发建筑物的二次振动，对建筑物以及其中居民的工作和日常生活产生了很大的影响。如何减小振动造成的环境污染已经成为一个很重要的课题。
要做出正确、适当的环境振动评价，首先要掌握列车运行时振动产生的机理。轨道系统由铁轨、枕木和碎石垫层组成，列车在运行时车轮与轨道系统会产生相互作用，由于轮重的作用使轨道产生弯曲变形，这一弯曲波通过周围地层向外传播。然后轨道的变形转化成作用在地基上的荷载，由此计算地基内波动的产生与传播。
本文基于振动产生及传播的机理，将轨道系统简化为弹性地基梁模型，将运行的列车模拟成一个作用在梁上的移动荷载，以新干线、TGV、在来线以及国内的武汉轻轨等四种轨道系统为研究对象，对移动荷载作用下轨道系统的振动传播模型进行了评价。对于振动在地基中的传播采用分层法的解析算法，得到了地基土在移动荷载作用下的时程分析曲线、加速度变化曲线以及在不同地质条件下的传递函数反应谱等，并对计算结果进行了分析，在实际工程计算当中，这一方法也是广泛被采用的。在考虑轨道系统与地基土的协同工作原理的基础上，本文分别对轨道系统和地基的频率响应特征进行了分析，并和以前所作的研究工作进行了比较，得到了一些有益的结论。对于轨道一高架桥一地基系统，本文采用二次梁计算模型来计算它在移动荷载作用下的动力响应，分析了振动在系统中的产生与传播过程。
最后，在全面总结论文工作的基础上，提出本课题尚待深入研究的若干问题。
The train-induced vibration will spread outward through the medium of around strata, and induce the secondary vibration of construction in further, which brings great influence to construction and people's daily life. How to diminish the environment pollution cased by vibration has become a very important problem.
To get right proper evaluation of environment vibration, first of all we should master the mechanism of how the train induced vibration came into being .The track system is composed of rail sleeper ballast and substrate. When the train moves, the wheel and the track system will interact each other. Because of the action of the wheel, the track may bright bent transformation, and the transformation spread in the ground. Then the transformation changes into load which act on the foundation, thereof we calculate the wave's propagation in the ground.
The present paper based on the mechanism of the vibration's production and transmission, simplifying the track system as elastic foundation beam model, and using a moving load which act on the beam to simulate the train, regarding four sorts of track system as research object, to evaluate the model of the vibration propagating of the track system under the moving load. Using the analytic method of finite elastic layer to calculate the transmission of the ground vibration, we get the displacement-time curve, acceleration-time curve and transfer function spectrum of ground under moving load, and analyze the result. In practice engineering calculation, this method is wildly used. Considering the cooperation of track system and ground, the present paper analyses the frequency response of track system and ground, and compares with the formerly research, getting some useful conclusion. For the track-viaduct-ground system, we use double-beam model to calculate its dynamic response under moving load, and analyze the
transmission of the vibration in the system.
At last, some problems about this research worth to be studied afterward are put up.
要做出正确、适当的环境振动评价，首先要掌握列车运行时振动产生的机理。轨道系统由铁轨、枕木和碎石垫层组成，列车在运行时车轮与轨道系统会产生相互作用，由于轮重的作用使轨道产生弯曲变形，这一弯曲波通过周围地层向外传播。然后轨道的变形转化成作用在地基上的荷载，由此计算地基内波动的产生与传播。
本文基于振动产生及传播的机理，将轨道系统简化为弹性地基梁模型，将运行的列车模拟成一个作用在梁上的移动荷载，以新干线、TGV、在来线以及国内的武汉轻轨等四种轨道系统为研究对象，对移动荷载作用下轨道系统的振动传播模型进行了评价。对于振动在地基中的传播采用分层法的解析算法，得到了地基土在移动荷载作用下的时程分析曲线、加速度变化曲线以及在不同地质条件下的传递函数反应谱等，并对计算结果进行了分析，在实际工程计算当中，这一方法也是广泛被采用的。在考虑轨道系统与地基土的协同工作原理的基础上，本文分别对轨道系统和地基的频率响应特征进行了分析，并和以前所作的研究工作进行了比较，得到了一些有益的结论。对于轨道一高架桥一地基系统，本文采用二次梁计算模型来计算它在移动荷载作用下的动力响应，分析了振动在系统中的产生与传播过程。
最后，在全面总结论文工作的基础上，提出本课题尚待深入研究的若干问题。
The train-induced vibration will spread outward through the medium of around strata, and induce the secondary vibration of construction in further, which brings great influence to construction and people's daily life. How to diminish the environment pollution cased by vibration has become a very important problem.
To get right proper evaluation of environment vibration, first of all we should master the mechanism of how the train induced vibration came into being .The track system is composed of rail sleeper ballast and substrate. When the train moves, the wheel and the track system will interact each other. Because of the action of the wheel, the track may bright bent transformation, and the transformation spread in the ground. Then the transformation changes into load which act on the foundation, thereof we calculate the wave's propagation in the ground.
The present paper based on the mechanism of the vibration's production and transmission, simplifying the track system as elastic foundation beam model, and using a moving load which act on the beam to simulate the train, regarding four sorts of track system as research object, to evaluate the model of the vibration propagating of the track system under the moving load. Using the analytic method of finite elastic layer to calculate the transmission of the ground vibration, we get the displacement-time curve, acceleration-time curve and transfer function spectrum of ground under moving load, and analyze the result. In practice engineering calculation, this method is wildly used. Considering the cooperation of track system and ground, the present paper analyses the frequency response of track system and ground, and compares with the formerly research, getting some useful conclusion. For the track-viaduct-ground system, we use double-beam model to calculate its dynamic response under moving load, and analyze the
transmission of the vibration in the system.
At last, some problems about this research worth to be studied afterward are put up.
引文
[1] Takemiya H. and Kellezi L. Paraseismic behavior of Wave Impeding Block(WIB) measured for ground vibration reduction, 1998
[2] Hunt H. and Forrest J. Floating slab track for vibration reduction: Why simple models don't work, 2000
[3] Amir M. Kaynia, Christian Madshus. Ground vibration from high speed railway lines. International Conference on Soil-Structure Interaction in Urban Civil Engineering. 8./9. October 1998
[4] Takemiya H. Line side ground vibrations induced by high-speed train passsge. 1998
[5] R.H. Blanc. Transient wave propagation methods for determining the viscoelastic properties of solids. Journal of Applied Mechanics, September 1993, Vol.60/763
[6] Hong Hao, Thien Cheong Ang. Analytical modeling of traffic-induced ground vibrations. Journal of Engineering Mechanics/August 1998/921
[7] Gakenhemier D.C, Miklowitz J., Transient Excitation of an Elastic Half-Space by a Point Load Travelling on the Surface[J]. Journal of Applied Mechanics, ASME, Series E, 1969, 36(3): 505-515
[8] Victor V. Krylov. Vibrational impact of high-speed trains. I. Effect of track dynamics[J]. Acoust. Soc. Am, 1996, 100(5): 3121-3134
[9] H.A. Dieterman, A.V. Metrikine. The equivalent stiffness of a half-space interacting with a beam, Critical velocities of a moving load along the beam, Eur[J]. Mech.A/Solids, 1996, 15(1): 67-90
[10] J.T. Kenney. Steady-State Vibrations of Beam on Elastic Foundation for Moving Load, J. of. Appl. Mech., 12, 1954
[11] 竹宫宏和，里中修平，谢伟平．高速移动加振源轨道—底盘系动的応答周边地盘振动传播[J]．土木学会论文集，2001，682(7)：299-309
[12] 竹宫宏和，合田和哉，小森大资．高速列车运行时对沿线地基振动的计算机模拟和预测土木学会论文集，NO．488／1-23，11-13，1998．7
[13] 塩津吉彦．高速列车运行引起的地基振动特性研究．1998
[14] 白旗弘实，三木千寿，馆石和雄．高速移动荷载作用下桥梁振动响应的解析算法．土木学会论文集，NO．549／1-37，107-114，1996．10
[15] 吉冈修，芦谷公稔．新干线铁道振动的产生和传播．BUTSURI-TANSA，Vol．48，No．5(1995)，pp．299-315
[16] 行武宗轨．人工振动源对象传播线路振动轻减工法关研究．1998
[17] 川谷充郎，山田靖则，金哲佑，川木秀昭．道路桥交通振动三次元解析床版応答评价．桥梁振动97论文集．
[18] 冈林隆敏．桥梁振动制振·制御．桥梁振动97论文集．
[19] 川谷充郎，小林羲和，今枝拓也．道路桥交通振动使用性确率论的评价．桥梁振动97论文集．
[20] 古田胜．时间域积分方程式法轨道系振动解析关基础的研究．冈山大学博士论文，1998．9．
[21] 阿部和久，古田胜．时间域积分表现式轨道振动解析法．土木学会构造工学论文集，Vol．43A，1997．
[22] 合田和哉．移动加振移动载荷3次元成层地盘内波动伝播关研究応用．冈山大学博士论文，1997．3．
[23] 佐藤泰夫．弹性波动论．岩波书屋，1977
[24] 田春芝．地铁振动对周围建筑物影响的研究概况．北京联合大学机械工程学院，2000．
[25] 刘学毅，王平．高速轨道频域响应特性分析．西南交通大学学报，2000，35(4)
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[27] 夏禾，陈英俊．车—梁—墩体系动力相互作用分析．土木工程学报，1992，25(2)
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[29] 王逢朝，夏禾，张鸿儒．地铁列车振动对邻近建筑物的影响．北方交通大学学报 1999，23(5)
[30] 夏禾，吴萱，于大明．城市轨道交通系统引起的环境振动问题．北方交通大学学报，1999，23(4)
[31] 房营光．地铁钢轨—道床系统参数的频域反演分析．广东工业大学学报，1999，16(1)
[32] 杨光辉，张鸿儒，夏禾．列车运行引起的桥下地面振动衰减特性．北方交通大学学报，1999，23(5)
[33] 王朝逢，夏禾，吴萱．列车振动对环境及建筑物的影响分析．北方交通大学学报，1999，23(4)
[34] 潘昌实，谢正光．地铁区间隧道列车振动测试与分析．土木工程学报，1990，23(2)：21—28
[35] 潘昌实，G．N．Pande．黄土隧道列车动荷载响应有限元初步数定分析研究．土木工程学报，1984，17(4)
[36] 马筠．我国铁路环境振动现状及传播规律．中国环境科学，1987，7(5)：4-7
[37] 李保德，谢伟平，李荣．交通荷载所引起的地基振动的研究．武汉理工大学学报，2001，23(3)
[38] 谢伟平，徐劲，左鹏飞．移动荷载作用下轨道系的反应谱分析．工程力学增刊，2001
[39] 李德武，高峰．隧道基底结构列车振动现场测试与分析．甘肃科学学报，1999，11(1)
[40] 李德建，曾庆元，黄玉盈．准高速列车—轨道时变系统空间振动随机分析．华中理工大学学报，1998，26(4)
[41] 李成辉，万复光．轨道结构随机振动．铁道学报，1998，20(3)
[42] 谢伟平，左鹏飞，徐劲．基于分层法的土动力分析．爆破，2002，19(1)
[43] 谢伟平，胡建武，徐劲．高速移动荷载作用下的轨道—地基系统的动力响应．2002，21(7)
[44] 杨桂通，张善元．弹性动力学．中国铁道出版社，1988
[45] 邱舍朝，冯爱君．浅谈轨道交通高架桥的变形控制．铁道标准设计，1998，10
[46] 张安静．轻轨高架桥整体道床无缝线路轨道设计的探讨．铁道标准设计，1995，10
[47] 张弥，夏禾，冯爱君．轻轨列车和高架桥梁系统的动力响应分析．北方交通大学学报，1994，18(1)
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