運行列車引起基礎—結構體系振動的三維數值分析

2011-08-16 08:02:54姜海鳳盧華喜吳必濤梁平英

華東交通大學學報 2011年4期

姜海鳳，盧華喜，吳必濤，梁平英

（華東交通大學土木建筑學院，江西南昌330013）

改革開放30多年來，我國鐵路交通發展迅速，大流量的列車運行引起振動響應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、對學習工作環境的影響、對結構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構內人體舒適度的煩惱率模型。北京交通大學馬蒙等[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。北京大學實驗室和設備管理部[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，國內對列車引起的環境振動的研究越來越多。文獻[4]根據波數域分層大地波動的求解理論和Fourier變換，研究當列車速度大于200 km·h-1時，路基表面位移迅速增大，尤其當列車速度接近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，在對列車運行產生的振動機理、傳播和控制方面和對周圍結構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—結構結構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構特性所得出列車運行引起的環境豎向振動響應特性。

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—建筑物三維動力分析模型（見圖1）。傳統軌道是有碴軌道，它具有成本低，施工和維修方便等優點，而隨著列車的幾次提速，容易變形的有碴道床就不再適應了，無碴軌道鐵路就孕育而生了。本文采用無碴軌道結構（見圖2），對于列車施加于鐵路的荷載給出一種簡化假設，就是將移動列車簡化為無質量的勻速移動常量力；取相鄰三節車廂的四個轉向架的荷載，即8個移動點荷載。路基長度取為36 m，單元網格劃分取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[8]kp=6×107 N?m-1，阻尼系數 cp=2.5×104 N?m-1；扣件的彈簧系數kf=6×107 N?m-1，阻尼系數cf=2.5×104 N?m-1；扣件及墊板剛度系數 K=1.2×108 N?m-1，扣件及墊板阻尼系數 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和土層為單一均質的。建筑物體系為單層框架結構：基礎采用筏板基礎，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。

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

表1 主要計算參數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構豎向振動的重要因數。為了研究不同土對列車運行引起建筑物的豎向振動響應特性，場地土取單一均質的；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。

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

示當場地土為粉質黏土時距離列車軌道中心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分別表示當場地土為軟土和硬土時的振動豎向位移時程曲線。

從以上圖中可以看出，當同一列車以216 km/h高速運行時，當土第一種情況時：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；土為軟土時：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；土為硬土時：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，且同一場地土時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構豎向振動結果參見圖6、圖7、圖8。圖6（a）（b）分別表示當列車以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看出計算結果規律文獻一致：軸重越大，建筑物的豎向振動響應越大。