運行列車引起基礎(chǔ)—結(jié)構(gòu)體系振動的三維數(shù)值分析

姜海鳳，盧華喜，吳必濤，梁平英

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330013）

改革開放30多年來，我國鐵路交通發(fā)展迅速，大流量的列車運行引起振動響應(yīng)對人們生活和工作造成的影響，已讓它成為振動公害。所謂振動公害，是由于人們活動或者活動時利用的工具等引起的振動對人的身心健康的影響、對學(xué)習(xí)工作環(huán)境的影響、對結(jié)構(gòu)的安全性的影響以及一些精密儀器的性能的影響等。東南大學(xué)的張曉春等[1]就地鐵引起的振動對人體舒適度的影響問題提出了一個基于模糊理論的建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)人體舒適度的煩惱率模型。北京交通大學(xué)馬蒙等[2]對西安2號線地鐵引起的振動對西安鐘樓影響問題采取一系列減振措施。北京大學(xué)實驗室和設(shè)備管理部[3]對附近的北京地鐵二號線和十三號線進行振動測試，以分析其對實驗室儀器的影響。

近些年來，國內(nèi)對列車引起的環(huán)境振動的研究越來越多。文獻[4]根據(jù)波數(shù)域分層大地波動的求解理論和Fourier變換，研究當(dāng)列車速度大于200 km·h-1時，路基表面位移迅速增大，尤其當(dāng)列車速度接近Rayleigh波波速時，會引起共振。文獻[5-7]建立了列車—軌道和路基—土層—建筑物二維動力分析模型，在對列車運行產(chǎn)生的振動機理、傳播和控制方面和對周圍結(jié)構(gòu)的影響分析等取得一定成果。本文以ansys為計算平臺，建立了列車—軌道—基礎(chǔ)—結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的三維動力相互作用分析模型，分析不同土壤條件下、不同軸重下，不同車速下和改變建筑物自身結(jié)構(gòu)特性所得出列車運行引起的環(huán)境豎向振動響應(yīng)特性。

1 列車—軌道—建筑物三維動力分析模型

圖1 列車—地基—建筑物三維動力分析模型Fig.1 Three-dimensional dynamic model of train-foundation-buildings

采用通用有限元分析程序ansys建立列車—軌道—基礎(chǔ)—建筑物三維動力分析模型（見圖1）。傳統(tǒng)軌道是有碴軌道，它具有成本低，施工和維修方便等優(yōu)點，而隨著列車的幾次提速，容易變形的有碴道床就不再適應(yīng)了，無碴軌道鐵路就孕育而生了。本文采用無碴軌道結(jié)構(gòu)（見圖2），對于列車施加于鐵路的荷載給出一種簡化假設(shè)，就是將移動列車簡化為無質(zhì)量的勻速移動常量力；取相鄰三節(jié)車廂的四個轉(zhuǎn)向架的荷載，即8個移動點荷載。路基長度取為36 m，單元網(wǎng)格劃分取0.6 m，周圍采用彈性約束，基底采用的是全固定約束。地基、軌道板和CA砂漿層、混凝土承重層用solid45單元；鋼軌采用beam188單元；軌下膠墊和扣件采用彈簧一阻尼單元表示，在ansys中選取combin14來模擬。取軌下墊板的彈簧系數(shù)[8]kp=6×107 N?m-1，阻尼系數(shù) cp=2.5×104 N?m-1；扣件的彈簧系數(shù)kf=6×107 N?m-1，阻尼系數(shù)cf=2.5×104 N?m-1；扣 件 及 墊 板 剛 度 系 數(shù) K=1.2×108 N?m-1，扣 件 及 墊 板 阻 尼 系 數(shù) C=1.25×104 N?m-1。

在分析模型過程中，假定材料始終保持彈性狀態(tài)和土層為單一均質(zhì)的。建筑物體系為單層框架結(jié)構(gòu)：基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)，是用shell63單元；梁柱采用beam188來模擬。表1為ansys中模擬所需的具體計算參數(shù)。

圖2 無碴軌道橫斷面圖Fig.2 Cross section of ballastless

表1 主要計算參數(shù)Tab.1 Main calculating parameters

2 不同特性土的影響

不同特性土是影響列車引起周圍結(jié)構(gòu)豎向振動的重要因數(shù)。為了研究不同土對列車運行引起建筑物的豎向振動響應(yīng)特性，場地土取單一均質(zhì)的；這樣便于進行分析研究。分析時，采用速度為V=60 m?s-1的同一列車進行模擬。表2為土的主要參數(shù)。

在不同場地土條件下，列車引起的周圍結(jié)構(gòu)豎向振動結(jié)果參見圖3、圖4、圖5。圖3（a）（b）分別表

示當(dāng)場地土為粉質(zhì)黏土?xí)r距離列車軌道中心R=8，12 m處的單層建筑物一層處的位移時程曲線。圖4和圖5分別表示當(dāng)場地土為軟土和硬土?xí)r的振動豎向位移時程曲線。

從以上圖中可以看出，當(dāng)同一列車以216 km/h高速運行時，當(dāng)土第一種情況時：在距離軌道8 m處的單層建筑物的豎向位移為0.082 3 mm，距離為12 m處時的豎向位移為0.031 5 mm；土為軟土?xí)r：8 m處的單層建筑物的豎向位移為0.048 4 mm，12 m處的位移為0.016 3 mm；土為硬土?xí)r：8 m處建筑物的豎向位移為0.025 mm，12 m處的位移是0.009 1 mm；由此可以看出同一情況下處在松軟土的建筑物的位移幅值比硬土的要大，且同一場地土?xí)r離軌道越遠的建筑物的豎向位移幅值也越小。

表2 土的主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of soil

圖3 位移時程Fig.3 Time history curves of displacement

圖4 位移時程Fig.4 Time history curves of displacement

圖5 位移時程Fig.5 Time history curves of displacement

3 列車速度的影響

在同一場地土條件下，不同列車速度引起的周圍結(jié)構(gòu)豎向振動結(jié)果參見圖6、圖7、圖8。圖6（a）（b）分別表示當(dāng)列車以V=30 m?s-1時距離列車軌道中心R=8，12 m處的單層建筑物一層處的豎向加速度時程曲線。圖7和圖8分別表示V=60 m?s-1和120m?s-1時的豎向加速度時程曲線。

圖6 加速度時程Fig.6 Time history curves of acceleration

圖7 加速度時程Fig.7 Time history curves of acceleration

圖8 加速度時程Fig.8 Time history curves of acceleration

由以上圖可知，對于3組不同車速，車速是越大，建筑物的豎向加速度基本也是隨之越大；同一車速，離軌道越遠處的建筑物的豎向加速度越小。

4 列車軸重對豎向加速度振動的影響

列車軸重對豎向振動強度有較大的影響。一般情況下，貨車的軸重比客車重。由文獻[9]知，軸重210 kN的貨車比142.5 kN的客車引起的加速度大50%～60%，位移大45%～50%。本文在同樣的列車速度條件下，分別以軸重80，140，190 kN來進行計算分析比較。圖9（a）（b）分別表示當(dāng)列車軸重為140 kN時距離列車軌道中心R=8，12 m處的單層建筑物一層處的豎向加速度時程曲線。圖7和圖10分別表示軸重為80、190 kN時的豎向加速度時程曲線。從圖7，圖9，圖10看出計算結(jié)果規(guī)律文獻一致：軸重越大，建筑物的豎向振動響應(yīng)越大。

圖9 加速度時程Fig.9 Time history curves of acceleration

圖10 加速度時程Fig.10 Time history curves of acceleration

5 建筑物自身結(jié)構(gòu)剛度的改變的影響

在單層框架中，通過加設(shè)鋼支撐增加框架的剛度，支撐型式有通常有兩種：“X”型和“人”型，本文采用X型，截面為圓形鋼管；大圓形鋼管直徑尺寸為0.166 m和0.169 m；小鋼管直徑尺寸是0.066 m和0.069 m。

由圖11和12比較可以看出：建筑物自身剛度的增大，樓板水平向的豎向加速度減小且減小的幅度也較明顯；樓板豎向加速度幾乎沒有改變多少。

圖11 水平加速度時程Fig.11 Time history curves of lateral acceleration

圖12 豎向加速度時程Fig.12 Time history curves of vertical acceleration

6 結(jié)論

1）一般情況下，場地土的參數(shù)對豎向振動影響較大，土越軟，列車運行引起的周圍建筑物的豎向幅值越大。建設(shè)建筑物時應(yīng)選較好的地基減少振動的影響。

2）列車運行引起的周圍建筑物的振動強度一般隨列車車速的增加而加大。當(dāng)列車速度接近軌道臨界速度時，建筑物的豎向加速度增大非常明顯。

3）隨著軸重的增加，建筑物的加速度也增加。同一列車速度下，貨車引起的振動比客車的要大，所以重載貨車對軌道的破壞越大。

4）在高速列車比較頻繁運行的地方，應(yīng)盡量避免建設(shè)建筑物，以減少對人們正常生活學(xué)習(xí)和工作的影響5）改變建筑物的剛度對水平向的豎向加速度的改變較明顯。

6）鑒于以上分析，可在車輛系統(tǒng)中設(shè)置減震器，或者在建筑物中進行隔振處理，可減少振動帶來的影響。

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