高速列車引起地面振動的隔振研究

廉潔

摘 要：本文重點研究高速鐵路引起振動的隔振研究，通過ANSYS建模進行有限元分析，在設置空溝的情況下，豎向振動加速度變化規律及隔振效果分析。

關鍵詞：隔振研究；振動；有限元分析

近些年來，高速鐵路已成為我國普遍應用并且迅速發展的運輸方式，但是隨著列車速度的提高，由高鐵線路產生的噪聲與振動強度也變得更高，因此學者們開始密切關注和研究高速鐵路如何減小振動對周圍環境的影響。

屏障系統被看作是防止和減輕地面振動的有效措施?？偟膩碚f，一直以來研究最多的是連續屏障隔振，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到的優勢，隔振效果也較好，但是過去研究的屏障計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。

因此，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影響，并從傳播路徑上采用明溝對地面進行隔振分析，并比較這幾種隔振的隔振效果，最后提出隔振的優化措施。

一、理論模型

（一）車輛荷載模型

豎向輪軌力主要出現在三個頻率范圍內，低頻范圍、中頻范圍、高頻范圍，通常采用一個激振力函數來模擬輪軌力

二、有限元模型

（一）列車

列車已經被簡化為一系列的垂直荷載F（t），它根據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。列車如圖1所示。

（二）軌道

軌道被視為彈性歐拉-伯努利梁，這是由一個初等梁的無窮級數構成，其中撓曲剛度EI和單位長度質量M。軌道的總體動態剛度矩陣Kt是通過所有初等梁的動態剛度矩陣組合構成。

其中Ki是靜態剛度矩陣，Mi是連續質量矩陣。

（三）樁土耦合

將軌道模擬為彈性歐拉-伯努利梁，通過一系列離散的點被連接到土體。土體被模擬為一個連續的水平層狀半空間，土體特征是頻率相關的剛度和阻尼。

（四）建模

采用通用有限元軟件ANSYS[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。

模型選取長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組成，與土體邊界垂直。取結構的一半建模，地基土為成層土，分為四層。具體地基土參數見表1。

三、結構分析

（一）空溝寬度w的影響

采用圖3模型，隔振溝的溝深h=5m，空溝距路基20m，第一測點位于20m處，以后5m一個測點，共9個測點，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，地面不同測點豎向加速度振級隨距離的變化規律。

從圖4中可以看出，當w增加時，地面豎向加速度有效值會逐漸降低，并且當w=2m時，地面的減振效果最佳；但h繼續增加時，地面豎向振動變化都很小，說明在一定的溝寬范圍內，w增大可有效降低地面的振動水平，w超過一定值后，w的繼續增加對地面的振動影響較小。

（二）空溝深度h的影響

空溝距路基20m，第一測點位于20m處，以后5m一個測點，一共9個測點，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，地面不同測點豎向加速度振級隨距離的變化規律。

從圖5中可以看出，速度v =72km/h和v =216km/h時，空溝處的豎向加速度有效值都明顯降低，振動減弱；當以高速v =216km/h運行時，減震在15～26dB左右，當以低速v =72km/h運行時，減震在10～18dB左右，高速減震效果約是低速減震效果的1.5倍；并且空溝之后的測點下降也很明顯。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。

（三）有無空溝的頻譜分析

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頻譜對比圖。

（a）v=72km/h （b）v =216km/h

圖6 有、無空溝的地面振動加速度傅里葉譜

從圖6中可以看出，高頻振動部分衰減較快；地面豎向振動都屬于低頻振動，主頻率在20～40Hz。有無隔振溝，對地面豎向振動主頻率值沒有影響，但對幅值影響較大，有隔振溝時，主頻的幅值下降較多，這與前面采取空溝措施時，地面加速度振級與無隔振措施相比降低很多的結果相吻合。從加速度振級和頻譜兩方面都說明，空溝對低頻振動有較好的隔振效果。

四、結論

對于由高速列車引起地面的低頻振動中，主要通過隔斷波的傳播途徑有效的降低運行列車對地面的振動影響?？諟洗胧┬Ч黠@，隨著隔振溝深度的增加對溝后土體振動的隔振效果越來越好，而且，空溝寬度也對溝后土體振動的隔振效果有一定的影響，寬度有一最優值，在w=2m這一寬度下，空溝隔振效果最佳。

參考文獻：

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[4]Kliukas， R.， Jaras， A. and Kacianauskas. Investigation of traffic-induced vibration in Vilnus Arch-Cathedral Belfry， Transport， 2008， 23（4）， 323-329.