高速鐵路高架橋引起環(huán)境振動的預(yù)測方法研究

本項目歷時3年，在項目組成員的共同努力下，完成了原計劃的研究目標和研究內(nèi)容，取得了較好的研究成果。提出了高速鐵路高架軌道交通引起環(huán)境振動的預(yù)測模型，為解決高速鐵路對環(huán)境的振動影響，提高城市環(huán)境質(zhì)量，降低振動水平，具有一定的理論意義和社會價值。 項目采用理論分析、數(shù)值模擬計算和現(xiàn)場測試調(diào)研相結(jié)合的方法，對高速列車-軌道-橋梁-橋墩-基礎(chǔ)-周邊地基土這一振動傳播體系，主要完成了以下工作：（1）基于剛度矩陣法推導(dǎo)了不同地基土模型的地表面位移的Green函數(shù)；（2）基于2.5維TLM PML方法求解分層地基土的振動，為進一步的邊界元理論提供適當(dāng)?shù)幕窘猓唬?）列車－軌道－地基土相互作用理論分析模型；（4）基于ABAQUS建立了3維車輛—軌道—地基土動力相互作用模型，并對其進行了驗證；（5）半空間地基上移動荷載產(chǎn)生的振動和馬赫效應(yīng)；（6）列車—軌道—梁橋半解析分析模型的建立及求解；（7）列車—軌道—橋梁—橋墩—地基土動力耦合系統(tǒng)的數(shù)值建模、分析和驗證；（8）幾種常用減隔振措施研究；（9）試驗研究：地下隧道實驗室的振動傳遞試驗、北京地鐵5號線高架橋段結(jié)構(gòu)振動與噪聲的現(xiàn)場測試、南京南站高速鐵路火車站站場的振動測試，對軌道交通高架橋系統(tǒng)的預(yù)測模型進行了驗證。 通過理論預(yù)測模型和試驗結(jié)果的綜合分析，研究了高速鐵路高架橋軌道交通系統(tǒng)環(huán)境振動的特點及影響因素以及振動在高速列車－高架橋梁－地基土間的傳遞規(guī)律。研究結(jié)果表明：地基土的土質(zhì)狀況對振動的影響較大；地基土的阻尼比對地面點振動的影響是一個隨距離不斷累積的過程；列車在高架橋上運行時存在臨界速度，該臨界速度與列車－橋梁－橋墩－地基土體系的動力特性密切相關(guān)。分別選取空溝、單排樁、實體波阻塊、蜂窩波阻塊四種形式的屏障對地表各點振動的隔振效果進行比較。研究結(jié)果表明：空溝對25Hz以上的振動隔振效果較好，單排樁主要對20Hz左右的振動隔振效果較好，而波阻塊對10到20Hz間的振動屏蔽效果較好，蜂窩波阻塊對低頻段（0-10Hz）的隔振具有顯著的效果。 2100433B

結(jié)合我國高速鐵路高架橋的實際工程，采用理論模型分析計算和現(xiàn)場測試相結(jié)合的方法，通過對高速列車－軌道-橋梁－橋墩-基礎(chǔ)-周邊地基土這一振動傳播體系的分析，建立高速列車－軌道-橋梁－橋墩半解析－數(shù)值分析模型和橋墩-基礎(chǔ)-周邊地基土動力相互作用分析模型來預(yù)測我國高速鐵路高架橋系統(tǒng)引起的環(huán)境振動，并選取適當(dāng)?shù)母咚勹F路高架橋段進行現(xiàn)場測試，驗證預(yù)測模型的正確性。通過理論分析和試驗結(jié)果研究高速鐵路高架橋軌道交通系統(tǒng)環(huán)境振動的特點及影響因素、振動在高速列車－高架橋－地基土的傳遞規(guī)律、軟土地基上高架橋高速鐵路引起環(huán)境振動的特點、高速列車在高架橋上運行時是否存在臨界速度以及車－橋－墩的共振對地基土振動響應(yīng)的影響等，進而對減隔振措施提出合理化建議。該課題的研究將會為新線和既有線高速鐵路高架軌道交通的環(huán)境振動提供預(yù)測和評價，為降低高速鐵路高架橋地面振動及振動傳播提供解決方法和途徑，具有重要的社會意義和應(yīng)用前景。

雷擊是影響高速鐵路安全運營的主要因素之一，高速鐵路引雷特性的研究對鐵路防雷措施的提出具有重要指導(dǎo)意義。高速鐵路由于大面積采用高架橋結(jié)構(gòu)，使得牽引網(wǎng)對地高度增加，引雷范圍增大，比普速鐵路遭受雷擊概率大得多。高速鐵路對安全性的要求又高于普速鐵路，因此，專門針對高速鐵路高架橋接觸網(wǎng)系統(tǒng)進行引雷特性研究十分必要。. 本項目擬通過優(yōu)化模擬電荷法研究雷電先導(dǎo)作用下的高架橋電荷分布；研究隨著下行先導(dǎo)發(fā)展，高架橋及接觸網(wǎng)周圍感應(yīng)電荷的動態(tài)變化，進而研究雷電通道任一點的場強動態(tài)變化。結(jié)合所計算的動態(tài)場強，計算該空間任一點處先導(dǎo)往臨近點的發(fā)展概率，模擬先導(dǎo)通道的分形發(fā)展過程；研究雷電流幅值、雷電先導(dǎo)位置、高架橋參數(shù)等變化時雷擊路徑的變化，給出高架橋接觸網(wǎng)系統(tǒng)引雷范圍和落雷密度隨相關(guān)因素的變化規(guī)律。

隨著我國高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)，道岔不可避免地要設(shè)置在高架橋上，形成高架橋-無縫道岔結(jié)構(gòu)體系。高速鐵路橋上無縫道岔相互作用機理非常復(fù)雜，它不僅綜合了橋上無縫線路、無縫道岔以及大跨度橋梁的技術(shù)特點，而且衍生出一系列與高速有關(guān)的技術(shù)難點，是高速鐵路亟待解決的關(guān)鍵問題之一。目前國內(nèi)外在該方面的研究很少，特別是在梁軌相互作用機理、力學(xué)特性變化規(guī)律、參數(shù)選用、橋上無縫道岔群相互作用機理、橋梁結(jié)構(gòu)形式匹配、橋梁變形控制指標、支座布置方式、荷載組合原則、車輛-道岔-橋梁系統(tǒng)動力響應(yīng)等方面的研究相當(dāng)匱乏，對我國高架車站軌道的設(shè)計造成障礙。.本項目在充分調(diào)研國內(nèi)外橋上無縫道岔研究成果的基礎(chǔ)上，通過建立和完善既有理論分析模型，并結(jié)合室內(nèi)和現(xiàn)場測試，揭示無縫道岔與高架橋的相互作用機理，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速鐵路橋上無縫道岔設(shè)計理論體系，指導(dǎo)我國高速鐵路橋上無縫道岔的設(shè)計和應(yīng)用，并彌補這一領(lǐng)域研究的不足。 2100433B