高速列車引起地面振動(dòng)的隔振研究

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1、高速列車引起地面振動(dòng)的隔振研究　　摘要：本文重點(diǎn)研究高速鐵路引起振動(dòng)的隔振研究，通過ANSYS建模進(jìn)行有限元分析，在設(shè)置空溝的情況下，豎向振動(dòng)加速度變化規(guī)律及隔振效果分析。　　關(guān)鍵詞：隔振研究；振動(dòng)；有限元分析　　近些年來，高速鐵路已成為我國普遍應(yīng)用并且迅速發(fā)展的運(yùn)輸方式，但是隨著列車速度的提高，由高鐵線路產(chǎn)生的噪聲與振動(dòng)強(qiáng)度也變得更高，因此學(xué)者們開始密切關(guān)注和研究高速鐵路如何減小振動(dòng)對周圍環(huán)境的影響?！　∑琳舷到y(tǒng)被看作是防止和減輕地面振動(dòng)的有效措施?？偟膩碚f，一直以來研究最多的是連續(xù)屏障隔振，

2、其中開口空鉤即明溝使用最多，明溝比起其他形式的屏障有其獨(dú)到的優(yōu)勢，隔振效果也較好，但是過去研究的屏障計(jì)算模型多以二維有限元模型為主，三維有限元模型的隔振研究較少?！　∫虼?，本文采用列車―空溝―大地的三維有限元分析模型研究不同隔振措施對列車引起的地面振動(dòng)影響，并從傳播路徑上采用明溝對地面進(jìn)行隔振分析，并比較這幾種隔振的隔振效果，最后提出隔振的優(yōu)化措施?！　∫?、理論模型　?。ㄒ唬┸囕v荷載模型　　豎向輪軌力主要出現(xiàn)在三個(gè)頻率范圍內(nèi)，低頻范圍、中頻范圍、高頻范圍，通常采用一個(gè)激振力函數(shù)來模擬輪軌力5　　

3、二、有限元模型　　（一）列車　　列車已經(jīng)被簡化為一系列的垂直荷載F（t），它根據(jù)火車的幾何形狀和組成加載在不同位置并以恒定的速度在軌道上移動(dòng)。列車如圖1所示?！　。ǘ┸壍馈　≤壍辣灰暈閺椥詺W拉-伯努利梁，這是由一個(gè)初等梁的無窮級數(shù)構(gòu)成，其中撓曲剛度EI和單位長度質(zhì)量M。軌道的總體動(dòng)態(tài)剛度矩陣Kt是通過所有初等梁的動(dòng)態(tài)剛度矩陣組合構(gòu)成?！　∑渲蠯i是靜態(tài)剛度矩陣，Mi是連續(xù)質(zhì)量矩陣?！　。ㄈ锻榴詈稀　④壍滥M為彈性歐拉-伯努利梁，通過一系列離散的點(diǎn)被連接到土體。土體被模擬為一個(gè)連續(xù)的水平層

4、狀半空間，土體特征是頻率相關(guān)的剛度和阻尼?！　。ㄋ模┙！　〔捎猛ㄓ糜邢拊浖嗀NSYS[7-10]建立模型，軌道和混凝土樁采用BEAM4單元，軌道和混凝土樁之間采用采用COMBIN14彈簧單元，土體采用SOLID45單元，邊界與COMBIN14彈簧單元連接，另一端固定?！　∧Ｐ瓦x取長300m，寬72m，高58m。周圍采用人工粘彈性邊界[6]，人工粘彈性邊界由彈簧和阻尼單元并聯(lián)組成，與土體邊界垂直。取結(jié)構(gòu)的一半建模，地基土為成層土，分為四層。具體地基土參數(shù)見表1?！　∪?、結(jié)構(gòu)分析　　（一）空溝寬

5、度w的影響5　　采用圖3模型，隔振溝的溝深h=5m，空溝距路基20m，第一測點(diǎn)位于20m處，以后5m一個(gè)測點(diǎn)，共9個(gè)測點(diǎn)，隔振溝的寬度w分別取lm、2m、3m和4m。圖4（a）和圖4（b）分別是兩種不同速度下，地面不同測點(diǎn)豎向加速度振級隨距離的變化規(guī)律?！　膱D4中可以看出，當(dāng)w增加時(shí)，地面豎向加速度有效值會(huì)逐漸降低，并且當(dāng)w=2m時(shí)，地面的減振效果最佳；但h繼續(xù)增加時(shí)，地面豎向振動(dòng)變化都很小，說明在一定的溝寬范圍內(nèi)，w增大可有效降低地面的振動(dòng)水平，w超過一定值后，w的繼續(xù)增加對地面的振動(dòng)影響較

6、小。　?。ǘ┛諟仙疃萮的影響　　空溝距路基20m，第一測點(diǎn)位于20m處，以后5m一個(gè)測點(diǎn)，一共9個(gè)測點(diǎn)，溝寬w=lm。隔振溝的深度h分別取3m、5m、7m和9m。圖5分別是兩種不同的列車速度下，地面不同測點(diǎn)豎向加速度振級隨距離的變化規(guī)律。　　從圖5中可以看出，速度v=72km/h和v=216km/h時(shí)，空溝處的豎向加速度有效值都明顯降低，振動(dòng)減弱；當(dāng)以高速v=216km/h運(yùn)行時(shí)，減震在15～26dB左右，當(dāng)以低速v=72km/h運(yùn)行時(shí)，減震在10～18dB左右，高速減震效果約是低速減震效果的

7、1.5倍；并且空溝之后的測點(diǎn)下降也很明顯。說明空溝能夠起到減震效果，并且，空溝越深，其有效隔振頻率的下限就越低，減振效果越好，減震在10dB左右。　?。ㄈ┯袩o空溝的頻譜分析5　　選用空溝距路基20m，寬度為w=2m，深度為h=5m的隔振溝和無隔振溝條件下，地面豎向加速度頻譜進(jìn)行對比。如圖6（a）與圖6（b）分別是v=72km/h和v=216km/h情況下，有、無隔振溝下地面加速度振動(dòng)頻譜對比圖?！　。╝）v=72km/h（b）v=216km/h　　圖6有、無空溝的地面振動(dòng)加速度傅里葉譜　　從圖

8、6中可以看出，高頻振動(dòng)部分衰減較快；地面豎向振動(dòng)都屬于低頻振動(dòng)，主頻率在20～40Hz。有無隔振溝，對地面豎向振動(dòng)主頻率值沒有影響，但對幅值影響較大，有隔振溝時(shí)，主頻的幅值下降較多，這與前面采取空溝措施時(shí)，地面加速度振級與無隔振措施相比降低很多的結(jié)果相吻合。從加速度振級和頻譜兩方面都說明，空溝對低頻振動(dòng)有較好的隔振效果。　　四、結(jié)論　　對于由高速列車引起地面的低頻振動(dòng)中，主要通過隔斷波的傳播途徑有效的降低運(yùn)行列車對地面的振動(dòng)影響。空溝措施效果明顯，隨著隔振溝深度的增加對溝后土體振動(dòng)的隔振效果越來