高架地铁列车环境振动传播规律的数值模拟

城市高架轨道箱梁振动特性数值分析
张仁巍;韦红亮
【期刊名称】《重庆交通大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2015(034)003
【摘要】为研究列车通过时高架轨道箱梁结构的振动响应,采用有限元方法分别建立了高架简支箱梁的三维振动分析模型,计算当列车分别以60,80,100,120 km/h 的速度通过时城市高架轨道箱梁结构的动力响应.模态分析结果表明:固有频率高于10 Hz的箱梁振动模态开始呈现截面变形,随着频率增加,箱梁结构振动形式逐渐表现为各构成板件的弯曲振动;时域分析结果表明:当列车经过时,箱梁结构振动加速度幅值分布呈现翼缘最大、腹板次之、桥面板和梁底最小的规律,钢轨、轨道板、桥面板、翼缘、腹板和梁底板的振动水平分别为140～160,110～120,110～120,115～130,110～125,105～115 dB,振动水平随车速的提高而增大.
【总页数】5页(P12-15,62)
【作者】张仁巍;韦红亮
【作者单位】三明学院建筑工程学院,福建三明365004;广西交通运输厅,广西南宁530012
【正文语种】中文
【中图分类】U211.3;U24
【相关文献】
1.城市高架轨道箱梁振动特性数值分析与实测 [J], 房建;雷晓燕;练松良
2.城市高架桥减振器轨道结构振动及传播特性 [J], 马春艳;谷爱军;夏禾
3.纵向轨枕轨道振动特性数值分析 [J], 寸冬冬;曾京;齐琳
4.橡胶浮置板轨道对城市高架箱梁减振特性数值分析 [J], 张仁巍;陈迎
5.城市轨道交通高架桥箱梁结构振动特性分析 [J], 罗锟;张新亚;雷晓燕
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地铁列车运行对沿线环境的振动影响实测与数值模拟的研究地铁列车运行对其邻近建筑结构产生的振动影响已成为发展城市地下轨道交通及其沿线建筑设施的突出问题之一。

本文结合实际工程项目,通过现场实测和数值模拟手段对典型的地铁邻近建筑结构受地铁列车运行产生振动影响的工程案例进行研究,分析了地铁列车运行对邻近建筑结构产生的振动影响规律。

针对具体工程需求对地铁列车运行产生的振动进行了振动影响评估及减少地铁列车运行产生振动措施的研究,本文主要研究工作包括:(1)对广州市地铁6号线列车运行引起沿线某商住楼项目场地内土体和建筑结构桩基础产生的振动进行实际测量,研究了地铁列车运行引起该工程沿线土体和建筑结构桩基础产生振动的主要行为规律和特点,给出了广州市地铁6号线列车运行对其邻近商住楼地下商业广场产生振动影响的评估及建议。

(2)对深圳市地铁9号线列车运行引起沿线某地铁车站站台层产生的振动进行实际测量,对地铁列车运行产生的振动的优势频段与列车运行状态进行了相关性分析,得出站台层受地铁列车运行产生振动影响的特征规律。

(3)基于广州市地铁6号线列车运行引起沿线某商住楼项目产生振动影响的实测评估,采用有限元软件MIDAS GTS NX建立列车—隧道—土体—建筑结构的三维有限元模型,研究了采用有限元软件对类似工程项目进行三维有限元模型数值模拟的方法,进行了移动列车荷载的动力时程分析,将模型计算所得到的振动响应值和实测数据的振动响应值进行了对比,对实测结果与计算结果之间的偏差进行了原因分析,验证了模拟方法的可行性和正确性。

(4)利用上述三维有限元模型数值模拟的方法进行实例应用分析,预测拟建广佛环线地铁列车运行可能对沿线某研究中心内建筑结构产生的振动响应,研究了地铁列车运行对该研究中心内建筑结构产生振动影响的规律,针对模拟结果结合相关规范及实验设备正常工作要求进行了振动影响评价。

(5)针对广佛环线地铁列车运行对该研究中心内框架结构建筑产生的振动影响,通过改变三维有限元模型参数,将动力时程分析结果与标准模型计算结果进行对比分析,研究地铁列车运行引起框架结构建筑产生振动的响应规律,提出了减少建筑结构振动响应的建议。

高速铁路高架桥周围场地振动反应谱分析作者：曹艳梅杨林李喆李东伟来源：《振动工程学报》2022年第01期摘要：基于達朗贝尔原理、无限周期结构理论以及具有完全匹配层的薄层法容积法建立了高速列车一周期性桥梁结构一群桩基础地基土动力相互作用耦合模型，提出了一种半解析一半数值方法以预测和评价高架轨道交通引起的周围场地振动，并对该方法进行了程序实现及有效性验证。

进一步提出了场地振动反应谱的概念，并通过算例分析了不同行车速度、场地卓越周期以及地表不同接收点的场地振动反应谱特性，进而得到高速铁路周围环境振动基于规范容许值的阈值范围。

研究结果表明，场地地面不同接收点的垂向位移最大值和振级响应均随场地卓越周期的增大而呈增大的趋势，但振级响应在局部位置处出现了放大现象;以地面位移最大值为指标的场地振动反应谱能反映振动的变化速率，而以总体振级VLz为指标的场地振动反应谱则能反映场地卓越周期、与桥墩中心线距离以及行车速度对场地振动响应的局部特性，因此在场地反应谱中对评价指标的选取应综合考虑。

本文所提出的场地反应谱和振动阈值图不仅可以为拟建构筑物提供满足不同振动限值所需的距离参考，而且可以为既有构筑物受到的高架轨道交通环境振动影响进行评价，关键词：环境振动;高架轨道交通;周期性桥梁结构;场地反应谱;振动阈值中图分类号：U211.3;U238;U448.28文献标志码：A文章编号：10044523（ 2022）01-0093-10DOI： 10.1638 5/j .cnki.issn.10044523.2022.01.010引言在我国高速铁路的建设中，桥梁平均总长约占线路总长的50%，部分线路如京沪线的桥梁占比高达80%，而其中85%以上的桥梁均采用32 m跨径为主的预应力混凝土简支箱梁桥。

轨道交通线路在方便人们的出行时，由其引发的环境振动问题也越来越受到社会的普遍关注。

因此，快速、准确、有效地对高架轨道交通引起的环境振动进行预测与评价，对于前期铁路选线以及后期的环评工作都具有研究意义。

城市轨道交通引起的振动测试分析及数值模拟的开题报告题目：城市轨道交通引起的振动测试分析及数值模拟一、选题背景和意义：城市轨道交通是现代城市交通的重要组成部分，其建设为城市居民的出行提供了便利。

但是，城市轨道交通的运行会引起周围环境的振动，如建筑物、地铁站台等受到的振动影响可能会对周围居民的生活和健康造成影响。

因此，轨道交通引起的振动问题备受关注。

针对城市轨道交通引起的振动问题，国内外学者和工程师们进行了大量的研究。

他们通过实测、数值模拟等方法对城市轨道交通引起的振动进行研究，希望能够掌握城市轨道交通振动的特点和规律，从而制定相应的振动控制措施。

因此，本文将从实测和数值模拟两个方面入手，研究城市轨道交通引起的振动问题，为振动控制措施的制定提供参考。

二、研究内容和思路：1. 实测方法研究利用振动测试仪在城市轨道交通附近的建筑物、地铁站台等位置进行振动测试，获得城市轨道交通振动数据，并进行统计和分析。

同时，利用声学测试仪器测量噪声等物理参数，探讨城市轨道交通振动和噪声的相互作用。

2. 数值模拟研究基于有限元方法，建立城市轨道交通车辆和轨道、地基系统的三维数值模型，考虑地基和轨道的非线性特性、车辆的非线性特性和速度变化等因素，模拟城市轨道交通的运行过程，分析振动特征和影响因素。

3. 综合分析与振动控制方案通过将实测和数值模拟的结果进行对比、分析和综合，得出城市轨道交通引起的振动特点和规律，为制定振动控制方案提供参考。

三、论文结构和进度安排：1. 前面绪论：介绍研究背景、现状与问题，阐述选题的研究意义及研究现代方法，明确研究思路和方法途径。

2. 第二章实测方法研究：2.1 实验方案设计：包括测试地点的选择、测试仪器的选择与放置等内容。

2.2 实验数据处理：包括数据采集、去噪、滤波等过程。

2.3 实验数据分析：包括振动特点统计分析、噪声特点统计分析等内容。

3. 第三章数值模拟研究：3.1 建模过程和模型设计3.2 设备和材料的选择和处理3.3 系统边界和边界条件的定义3.4 运动和结构分析的数值模拟4. 综合分析与振动控制方案：4.1 通过实测和数值模拟结果进行比较分析4.2 城市轨道交通振动控制方案的制定5. 结论和展望：5.1 研究结论总结5.2 研究存在的不足和改进方向在第二章、第三章的实验和模拟研究需要进行分别三个月和四个月的时间，第四章的分析和控制方案设计也需要两个月的时间，最后结论和展望一章也仅需一个月的时间。

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高架地铁列车环境振动传播规律的数值模拟张辰辰;钱振东;张晓春【摘要】To study the environment vibration and its effect on surrounding soil and structures around,a 31-degree freedom vibration model of metro vehicle and a three-dimensional finite element model of bridges-soil-building were proposed.First,the track irregularities were simulated by the trigonometric series method.A vertical vehicle-track coupling model was developed and the time-history loads of metro vehicle wasobtained.Then,a three-dimensional finite element model of bridges-soil-building was set up and the time-history loads were utilized to analyze the effect of accelerate parameters on the key points in ground and buildings.The calculation results were analyzed by the spectral analysis method,and the power spectrum functions of the key points were obrained.The results of this study show that the environment vibration on the ground has significant directionality characteristic,and vertical vibration plays a dominant role.The horizontal vibration becomes a major concern in the high-rise building above 12-storey.The high frequency vibration component above 10 Hz attenuates faster than the component below 10 Hz.The vibration in the area 30 m away from the line is mainly of the low frequency.%为研究地铁诱发的环境振动在周围土体和邻近建筑物内的传播规律,建立了31自由度地铁车辆模型以及桥梁-土体-建筑三维有限元模型,并进行了数值研究.首先,通过三角级数法获得可靠的轨道不平顺谱,建立车辆-轨道动力学模型,得到车辆随机振动荷载时程谱;然后,将荷载时程谱加载到桥梁-土体-建筑三维有限元模型上,计算得到周围土体和临近建筑内关键点位的振动幅值,并对计算结果进行频谱分析,获得各点的振动功率谱函数.研究结果表明:地铁环境振动在地面上的传播存在明显的方向性,竖向振动占主导地位;高层建筑12层以上部分需重点考虑水平面上的振动;传播过程中10 Hz以上的高频振动衰减较快,距轨道中心30 m以外的环境振动以低频振动为主.【期刊名称】《东南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(043)004【总页数】5页(P863-867)【关键词】环境振动;轨道不平顺;动荷载;功率谱【作者】张辰辰;钱振东;张晓春【作者单位】东南大学智能交通运输系统研究中心,南京210096;东南大学智能交通运输系统研究中心,南京210096;东南大学智能交通运输系统研究中心,南京210096【正文语种】中文【中图分类】U260.11地铁车辆在高架轨道上运行诱发的环境振动传播涉及车辆、轨道、桥梁、土体以及建筑等.而由此引起的各个子系统及其耦合的振动响应极其复杂［1］，其中车辆模型的自由度数直接影响了计算精度.随着车辆动力学研究的不断深入［2］，对反映车体各组成部分真实运动情况的多自由度车辆模型进行仿真计算，可靠性更高.仅当建筑物长轴与轨道方向大致平行时，地铁环境振动作用下的建筑物响应方可简化为二维情况进行分析，而实际情况中极难满足这一要求.张弥等［3］利用二维有限元模型对高架轨道交通引起的环境振动进行了理论分析；蒋通等［4］将现场实测数据与二维数值模拟分析结果进行了对比；宋子威［5］采用周期变化的荷载列车模型，研究了轻轨列车通过高架桥梁引起的周围土体振动.为深入研究地铁列车环境振动的传播规律，针对南京市地铁一号线高架段，建立了一种较为精确的31自由度车辆模型.首先，考虑轨道不平整度，通过车辆-轨道系统动力学计算，获得了较为精确的列车随机振动荷载.然后，将该荷载加载到桥梁-土体-建筑三维有限元模型中，对高架地铁列车运行诱发的环境振动传播进行数值模拟，得到周围土体和临近建筑内关键点位的振动加速度、速度以及位移幅值.最后，对计算结果进行频谱分析，获得各点的振动功率谱函数，据此研究地铁环境振动在周围土体及建筑内的传播规律.1 随机振动荷载谱将轨道不平顺作为机车车辆系统外部随机激励，考虑方向不平顺、水平不平顺和高低不平顺，采用精度较高的三角级数法［6］，生成轨道不平顺谱.以车辆-轨道系统动力学模型为基础，分析动荷载作用下列车车辆的随机振动响应，获得列车随机振动荷载，为数值计算分析提供时域分析的荷载谱.地铁车辆的机车和客车均为4轴车.每节车厢由车体、前后2个转向架以及4个轮对组成.车体和转向架考虑横摆、浮沉、侧滚、摇头和点头5个自由度；车轮考虑横摆、浮沉、侧滚和摇头4个自由度.整个车辆共有31个自由度.本文研究的列车车辆为B型车［7］.列车的主要计算参数如下:轮对质量为3 t，车体质量为11 t，转向架质量为4.5 t，载重为12 t；车体重心距轨面高1.42 m，转向架重心距轨面高0.62 m，轮对重心距轨面高0.42 m；一系弹簧垂向刚度为1.25 MN/m，垂向阻尼系数为0.1 MN·s/m；二系弹簧垂向刚度为0.25 MN/m，垂向阻尼系数为0.1 MN·s/m；车厢长度为20 m，车辆定距为12.6 m，轮距为2.2 m；车速为20 m/s.将列车荷载的随机振动作用考虑成轮轴荷载在无限长轨道上移动所引发的振动问题，即一个振幅随时间变化的移动荷载以一定速度在无限长的轨道结构上移动的基本力学模型［8］.车辆的运动方程可表示为矩阵形式，车辆振动荷载P为式中，M，C，K，u分别为车辆系统的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和位移列向量.根据式(1)可计算得到各个车轮的轮轨力荷载的时程曲线.图1给出了某列车车辆的第1轮对轮轨力荷载的时程曲线.图1 第1轮对轮轨力荷载的时程曲线2 三维数值模型南京地铁一号线中华门-安德门段高架沿线的地质材料参数见表 1［9］.根据陈国兴等［10］对南京及周边区域土体阻尼比的研究结果，土体结构的阻尼比ξ=0.05，瑞利阻尼系数为α=0.572，β=0.005.表1 地质材料参数深度/m 土质弹性模量/MPa 泊松比密度/(kg·m－3) 黏聚力/kPa 摩擦角/(o )18.081～23.398 粉质黏土 6.64 0.35 1990 20.919.39.257～18.081 淤泥质粉质黏土 5.72 0.35 1726 10.2 18.22.557～9.257 粉土-粉砂11.48 0.30 1883 9.7 28.40～2.557 素填土 7.41 0.30 2005 21.024.1建模范围如下:沿列车行进方向取120 m，水平垂直桥梁中心两侧各取100 m.计算时假定二维散射波场为柱面波，边界条件采用黏-弹性人工边界条件［11］.假设数值模拟采用的桥梁结构和建筑结构均为弹性材料.建模坐标系采用笛卡儿直角坐标系，X轴为高架桥轴线方向，Y轴为水平面上垂直高架轴线方向，Z轴为竖直方向.由此建立的三维有限元模型如图2所示.图2 桥梁及地面建筑结构的三维有限元模型桥梁与框架结构的间距为10 m，桥梁采用4×20 m的连续梁桥，桥梁主梁截面的惯性矩为3.43 m4，高1.5 m，宽12.2 m.桥墩高10 m，桥墩截面取矩形2m×1.2 m.桩长20 m，桩取2个直径为1.3 m的桩基.主梁及桩基采用C50混凝土，弹性模量34.5 GPa，其他构件采用C30混凝土，弹性模量为30.0 GPa，密度统一取为2700 kg/m3.以18层的钢筋混凝土框架结构建筑物为例，建立如图3所示的建筑结构计算模型.桥梁高度为10 m，框架柱尺寸为1000 mm×1000 mm，外框架梁尺寸为400 mm×600 mm，内框架梁尺寸为500 mm×800 mm，次梁尺寸为300mm×500 mm，筒体墙厚300 mm，楼面板厚200 mm.楼板采用C30混凝土，弹性模量为30.0 GPa，其他构件采用C40混凝土，弹性模量为32.5 GPa，密度统一取为2700 kg/m3.建筑物基础采用与框架柱对应的桩基础，材料参数与框架柱相同.建筑离桥梁中轴线10 m.图3 建筑框架结构的平面示意图(单位:m)列车通过导致地面建筑振动的持续时间大约为10 s.故本文数值计算的计算时间为10 s，列车运行速度为20 m/s.3 模拟结果及分析3.1 幅值分析地铁列车按6节编组，将图1所示的列车随机振动荷载加载到如图2所示的三维有限元模型中，计算高架沿线地面以及建筑物各楼层由于环境振动诱发的位移、速度以及加速度时程曲线.地铁运行引起的地面振动加速度、速度及位移峰值的数量级分别为 10－3，10－4和10－5m.图4为距离高架桥中心线10 m处地面点X，Y，Z方向的加速度时程曲线.图4 加速度时程曲线根据ISO2631-1标准［12］中推荐的振动加速度振级评价换算公式，振动加速度级La为式中，a为振动加速度，m/s2；a0为加速度基准值，且a0=1×10－6m/s2.对列车环境振动加速度进行换算，得到各地面点振级(见图5).建筑距离轨道线路最近处各楼层的振级见图6.图5 地面加速度振级随距离变化图图6 楼板振动加速度振级随楼层数变化图由图4和图5可知，列车运行诱发的环境振动具有明显的方向性，竖直方向振动强度明显大于其他2个方向，地面上的环境振动主要以竖直方向为主.水平面上的振动加速度和速度也有方向性，距高架中心线30 m以内，垂直高架中心线方向的振动小于沿高架线方向的振动，而超过50 m之后则相反.此外，随着地面点距轨道中心线距离d的增加，X，Z方向上的加速度振级逐渐减小，但在40～60 m左右存在一个明显的放大区.而Y方向上的加速度振级最大值出现在离轨道中心线约10 m处，比轨道正下方地面点(距轨道中心线0 m处)处加速度振级的最大值高出约10 dB；地面点距轨道中心线距离超过10 m后，Y方向上的振动加速度随距离增加而缓慢降低.由图6可知，随距轨道中心线距离的增大，建筑内各层的加速度振级在X，Y，Z 方向上均减小.在Y坐标相同的情况下，建筑内X方向加速度振级随楼层数的增加先减小后增大，转折点基本在第4层至中间层之间；建筑内Y方向加速度振级随楼层数的增加而增大；建筑内Z方向加速度振级随楼层数的增加基本保持不变. 在12层以下，建筑内的环境振动主要以竖向振动为主.但随楼层数的增加，水平面上的振动持续增大，12层以上建筑物振动的主要形式为沿轨道轴向振动.在高层建筑中，环境振动超过70 dB时，需要采取适当的隔振措施.计算结果表明，距离轨道中心1 m处地表的Z方向振级约为72 dB，距轨道中心10 m处建筑内的Z方向振级约为68 dB.而地质条件较为相似的上海地铁现场测试表明［13］，距离地铁线路中心1 m处钢筋混凝土结构的振动水平为65.6～73.6 dB.故可认为本文建立的模型比较可靠，计算结果可以作为环境振动水平评价的依据.3.2 频域分析在对振动加速度的幅值进行分析时，主要给出了振动加速度最大值与时间的关系.然而，在工程实际中，往往需要知道振动激励包含的频率信息，可根据功率谱密度对随机激励进行频率分析.根据维纳-欣钦定理［14］，零均值平稳离散时间随机信号的自相关函数与其功率谱密度是一组离散傅里叶变换对.经变换处理后，距轨道中心线距离d=0，5，10，20，40，60 m处地面点的Z 方向加速度功率谱见图7.由图7可知，列车引起的环境振动中，10 Hz以上的高频部分随着距轨道距离的增加而迅速衰减，分析距轨道线30 m以外的建筑振动时可仅考虑1～10 Hz的低频振动.图7 地面点Z方向加速度功率谱地表体波和瑞利波衰减速度不同而引起的振动叠加效应会导致不同频率的振动存在不同的放大区.对于1～3 Hz的低频振动加速度，尽管幅值大小不同，但X，Y，Z 方向上的振动加速度均在0，30，60 m附近出现了放大区；对于5～6 Hz的中频振动加速度，只有0和30 m二个放大区.建筑与地铁中心线最小距离为10 m，该处建筑的Z方向振级约为68 dB，而《城市区域环境振动标准》［15］中规定的居民区夜间环境振动Z方向振级限值为67 dB.由此表明，该建筑的实际振动强度超过国家标准中的限值，地铁环境振动对建筑内敏感人群的休息存在一定影响.4 结论1)地铁列车在地表面上产生的振动幅值具有明显的方向性，主要以竖直方向的振动为主，X，Y方向上的振动振级量值相对较小，且衰减较快.在没有特殊要求的情况下，分析地铁列车在地表面上产生的振动影响时，仅考虑竖直方向的振动是可行的.2)随着与高架中心线距离的增大，地铁沿线建筑内各层在X，Y，Z方向上的加速度振级均减小.对于某一特定建筑，环境振动在低层建筑内主要以竖向振动为主.但在高层建筑内，随楼层的增加，水平面上的振动强度持续增大；对于建筑内12层以上的楼层，沿轨道的轴向振动超过竖向振动，成为最主要的振动形式.3)研究距轨道线路30 m以外的环境振动对人体影响时，可仅考虑1～10 Hz的低频部分，并需要考虑振动放大区的存在，为振动放大区内建筑设置必要的减振设施.其中，1～3 Hz的低频振动加速度在0，30，60 m附近出现放大区；5～6 Hz的中频振动加速度只在0和30 m附近出现放大区.参考文献(References)［1］夏禾.车辆与结构动力相互作用［M］.北京:科学出版社，2005:127-129. ［2］翟婉明.车辆-轨道耦合动力学［M］.3版.北京:科学出版社，2007:73-79. ［3］张弥，夏禾，冯爱军.轻轨列车和高架桥梁系统的动力响应分析［J］.北方交通大学学报，1994，18(1):1-8.Zhang Mi，Xia He，Feng Aijun.Dynamic responses of light-rail train and viaduct bridge system［J］.Journal of Northern Jiaotong University，1994，18(1):1-8.(in Chinese)［4］蒋通，张昕.高架轨道交通引起环境振动的实测与数值模拟［J］.同济大学学报，2004，32(5):565-569.Jiang Tong，Zhang Xin.In situ experimental and numerical predictions of environmental vibration by urban viaduct rail transit［J］.Journal of Tongji University，2004，32(5):565-569.(in Chinese) ［5］宋子威.轻轨列车通过高架桥梁引起的周围土体振动研究［D］.成都:西南交通大学土木学院，2008.［6］许昭鑫.随机振动［M］.北京:高等教育出版社，1990:56-64.［7］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 7928—2003地铁车辆通用技术条件［S］.北京:中国标准出版社，2003.［8］Lei X.Analyses of dynamic response of vehicle and track coupling system with random irregularity of track vertical profile［J］.Journal of Sound and 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