隧道内脉冲激励下地层振动传递特性研究

目前,对于地铁运营引起的振动在地层中的传递特性一直未有系统深入的研究。利用自动落锤激励装置锤击轨道减振与控制实验室10m埋深隧道内轨道,研究了0~200Hz频段振动加速度在地层中的传播衰减特性。试验结果表明：(1)隧道结构-地面振动加速度峰值衰减率达到81.25%,地层对振动有很强的衰减作用。(2) 除了30Hz附近频段传递函数幅值大于1,隧道结构到地面振动响应传递函数幅值普遍小于0.4。(3) 隧道结构-地面1/3倍频程加速度级传递损失曲线呈V形分布,传递损失在30Hz附近最小,且为负值,此频段振动加速度能量从隧道传递到地面有放大现象。     

车速对曲线段组合式道床系统振动特性影响分析

为研究地铁车速对曲线段组合式道床系统振动特性的影响,对比分析地铁列车平均车速为20 km/h、40km/h和60 km/h工况下,曲线段组合式道床系统时域和频域的现场测试结果,分析结果表明：行车速度对曲线段组合式道床系统轨道结构垂向位移影响不大;低轨侧的轨道结构时域振动幅值均大于高轨侧;车速由20 km/h增至60 km/h时,曲线段组合式道床系统低轨侧钢轨、轨道板和隧道壁的垂向振动加速度幅值分别提升14.7 dB、7.6 dB和8.6 dB,高轨侧幅值分别提升12.2 dB、8 d B和8.4 d B;车速的提高主要增大了轨道结构63 Hz以下和250 Hz以上频段的振动,对80～200 Hz频段的振动影响不大;谐振盖板阻尼谐振器能降低组合道床在20～40 Hz频率范围内的垂向振动;车速为60 km/h时,组合式道床系统结构在1 Hz～25 Hz频段的振动显著增加,具体原因有待进一步研究。     

扣件胶垫刚度的幅频变对轮轨耦合系统随机频响特征的影响

以热塑性聚氨酯弹性体（TPEE）的扣件胶垫为研究对象,首先利用万能试验机测得其荷载-位移非线性曲线。然后,借助非线性静力分析的有限元模型,计算车辆静载与弹条扣压共同作用下该类扣件胶垫的位移幅值及其对应的静刚度。最后,运用车辆-轨道垂向耦合随机振动分析模型,探讨聚氨酯胶垫的常量刚度、频变刚度与幅频变刚度对车辆-轨道耦合系统随机振动频响特征的影响规律。研究结果表明：聚氨酯胶垫的静刚度具有显著的非线性特征,而且在20 kN扣压力与80 kN静轮载共同作用下聚氨酯胶垫的静刚度在19.1 kN/mm~37.9 kN/mm范围内变化,其均值与规范中假设的线性常量静刚度26.7 kN/mm相近;另外,与聚氨酯胶垫的幅频变刚度相比,它的常量刚度会严重低估轮轨系统65 Hz~150 Hz的频域响应。因此,如果车辆-轨道系统中有刚度非线性较强的高分子材料,就必须综合考虑这些材料刚度的幅变与频变特征,否则将难以准确预测轮轨系统及其周边环境振动的频域响应。     

钢弹簧浮置板中低频振动特性分析

为了探究高架线路上钢弹簧浮置板减振轨道在外激励作用下的振动特性,建立钢弹簧浮置板减振轨道-箱梁桥三维有限元模型,以美国六级谱激励下的轮轨力作为输入,对钢弹簧浮置板减振轨道的振动特性进行系统的研究;在此基础上,分析不同刚度的钢弹簧对整体轨道结构振动的影响。研究结果表明:浮置板结构的振动特性以纵向上的弯曲振动为主,同时存在不均匀分布的局部振动特性,因此只有利用三维有限元模型才能很好地研究浮置板结构的整体和局部振动特性。整体轨道结构在中低频段的振动明显,其中钢轨的主振频率集中在200 Hz～250 Hz以及425 Hz～475 Hz;浮置板在150 Hz以下的低频段振动密集,主振频段与钢轨一致,但在425 Hz～475 Hz的振动幅值与低频段相近;浮置板在主振频段的弯曲振动不是规则的同幅值正弦形式,其幅值呈逐渐递增或递减分布。钢弹簧刚度对钢轨50 Hz以下的振动频率分布有一定的影响;主要影响浮置板结构的整体振动形式,在频率较低时对振动幅值及局部振动形式也有较大的影响。     

钢弹簧浮置板中低频振动特性分析

为了探究高架线路上钢弹簧浮置板减振轨道在外激励作用下的振动特性,建立了钢弹簧浮置板减振轨道-箱梁桥三维有限元模型,以美国六级谱激励下的轮轨力作为输入,对钢弹簧浮置板减振轨道的振动特性进行了系统的研究;在此基础上,分析了不同刚度的钢弹簧对在整体轨道结构振动的影响。研究结果表明：浮置板结构的振动特性以纵向上的弯曲振动为主,同时存在不均匀分布的局部振动特性,因此利用三维有限元模型才能很好的研究浮置板结构的整体和局部振动特性。整体轨道结构在中低频段的振动明显,其中钢轨的主振频率集中在200-250Hz以及425-475Hz;浮置板在150Hz以下的低频段振动密集,主振频段与钢轨一致,但在425-475Hz的振动幅值与低频段相近;浮置板在主振频段的弯曲振动不是规则的同幅值正弦形式,其幅值呈逐渐递增或递减分布。钢弹簧刚度对钢轨50Hz以下的振动频率分布有一定的影响;主要影响浮置板结构的整体振动形式,在频率较低时对振动幅值及局部振动形式也有较大的影响。     

一系螺旋弹簧动刚度对车辆-轨道耦合振动影响分析

建立准确表征一系悬挂轴箱螺旋弹簧波动特性的力学模型,运用动刚度矩阵法求解,研究其对悬挂系统隔振性能影响。结合基于格林函数法的车辆-轨道耦合动力学模型,引入弹簧刚度频变特性,对比分析考虑一系螺旋弹簧频变刚度前后车辆动力学性能之间的差异。结果表明,动刚度矩阵法可以精确求解螺旋弹簧随频率变化的动刚度特性,在一阶模态振动频率后弹簧刚度值呈现103等级的剧烈变化,该结果与有限元模型结果一致;一系螺旋弹簧的动态频率特性导致轮轨激励由车轮至构架的振动位移传递率提高到接近于1,而对车体的振动传递率提高到了10-3左右;在整车车辆-轨道动力学计算中,其对轮轨振动影响较小,但车体与构架出现了较高的高频振动能量峰值。包含一系悬挂动刚度的车辆模型更接近实际,为了降低车辆振动,应尽量提高一系螺旋弹簧自振频率并降低动刚度变化幅值。       

隧道施工期扰动对运营期隧道-土体系统动力响应的影响分析

地铁盾构隧道施工会造成地基土体扰动,由此产生的土体刚度退化会影响地基土体的振动响应。为考虑近场施工扰动对后期隧道系统动力响应的影响,提出了一种静力有限元和2.5维动力有限元联合的求解方法。首先,基于饱和土的波动方程,推导了以土骨架位移u和孔隙水压力p表示的u-p格式的饱和土2.5维有限元表达式,结合拉伸函数构建完美匹配层边界,建立u-p格式下饱和地基下的2.5维有限元-完美匹配层动力模型。其次,采用静力有限元模拟隧道施工,确定由于盾构隧道施工扰动引起的地基土体剪切刚度退化值。最后,将退化的土体剪切刚度代入2.5维动力模型,实现施工扰动对系统动力响应的影响分析。基于该方法,探讨不同地基土体和隧道形状时盾构隧道开挖施工对地表振动响应的影响。结果表明：隧道施工会增大地表土体的竖向振动位移,距离隧道越近,隧道施工引起的地表竖向位移增量越大,最大值出现在隧道中心线处;圆形和矩形隧道下的振动响应小于椭圆形隧道。     

地铁列车运行引起远场低频振动响应预测研究

精密仪器对工作环境的振动要求通常有微振、低频等特点,因此准确预测分析列车振动对精密仪器的影响具有一定的难度。结合北京地铁16号线规划通过北京大学西门的工程案例,首次在频域内采用两位校准法进行了远场低频微振动的定量预测研究。研究过程中,利用实测钢轨振动加速度时程计算得到模拟地铁列车荷载;建立北京地铁4号线校准模型,利用实测隧道壁和地表的振动响应对输入荷载、模型参数选择进行校核,确保了模型的预测精度;最后采用校核过的建模方法建立地铁16号线预测模型进行低频振动预测。结果表明:利用该方法得到的地铁列车振动荷载及振动预测模型可以较准确的进行远场低频振动响应预测;地铁16号线地铁采用钢弹簧浮置板后,北大新建实验楼外预测点10~20 Hz频段的振动满足仪器振动要求,但10 Hz以下频段的振动仅满足VC-C标准,需进行实验室或仪器隔振处理。     

地铁振动荷载作用下隧道周围加固软黏土动弹性模量试验

对地铁隧道周围软黏土进行加固,已应用于地铁隧道沉降的治理,但是对软黏土加固后的动力特性研究还不够深入。通过对上海地铁隧道周围加固软黏土进行GDS试验,系统探讨循环荷载振动频率、循环动应力幅值、初始偏应力及围压对动弹性模量的影响。试验结果表明:随着循环振动次数的增加,动弹性模量的衰减过程可分为急剧衰减阶段和缓慢衰减阶段,且缓慢衰减阶段的时间要明显长于急剧衰减阶段;循环荷载振动频率对动弹性模量有显著影响;随着循环应力幅值、初始偏应力、围压的增大,动弹性模量都有了很大的提高,但其变化对动弹性模量的衰减速率并无显著影响。采用对数函数对试验数据进行回归分析,建立了加固软黏土在循环荷载作用下动弹性模量衰减模型,较好的反映了动弹性模量的衰减规律。     

软土与岩层地质下地铁隧道振动传递特性分析

在软土和岩层不同地质条件下采集列车通过时隧道壁及隧道上方地面距隧道中心线水平距离为0、15 m和30 m处的垂向振动,经过Fourier变换和1/3倍频程处理得到振动的频谱特性,分析不同频段振动的传递损失。结果显示,对于软土地质和岩层地质,在传递过程中都存在两个振动峰值;振动从隧道壁传至地面0 m时,软土内高频振动衰减较大,岩层内低频振动衰减较大;在地面传播过程中,对于软土地质,在15 m处出现振动放大现象;在30 m测试距离内,12.5 Hz以下的低频振动在两种地质条件下均衰减较小,在30 m处40 Hz以上的振动在两种地质条件下均衰减较大,此研究结果可为不同地质条件下地铁线路上部建筑减振及地铁线路规划提供参考。     

车-线-隧垂向环境振动预测辛模型及其应用

结合随机振动虚拟激励法、无穷周期链式结构的辛数学方法及有限元谐响应分析法,提出了考虑扣件胶垫刚度频变特性的车-线-隧垂向环境振动预测的辛模型。以南京地铁1号线为研究对象,利用等效线性动黏弹性模型之一的Martin-Davidenkov模型来描述土体加卸载对应的应力-应变非线性关系,将地表土层垂向振动加速度级的理论计算结果与实测数据进行对比,二者在整个频域内的吻合度较高,在中心频率为50 Hz位置处两者的最大峰值结果仅相差0.6 dB,表明实测线路上的轨道不平顺水平和计算条件较为接近,验证了车-线-隧垂向环境振动预测的辛模型及其参数选取方法合理,在频域范围内有较好的预测精度及效率。     

扣件胶垫刚度频变的车/轨耦合系统随机振动虚拟辛分析

运用无穷周期子结构的辛数学方法与虚拟激励法,建立了车辆-轨道垂向耦合随机振动虚拟辛分析模型,并用以探讨扣件胶垫频变刚度对轮轨耦合系统随机振动的影响。研究结果表明：扣件胶垫频变刚度对车体垂向随机振动的影响可忽略不计,但却会改变转向架中高频的垂向随机振动幅值,同时还会显著提高轮对与钢轨的垂向随机振动最大功率峰与其第一主频;轮对垂向随机振动最大功率峰与其第一主频随着扣件胶垫刚度频变幅度或低频初始刚度的增大分别呈波浪式渐增与阶梯式上升的变化趋势;在铁路常用扣件胶垫刚度的变化范围内,轮对垂向随机振动最高功率峰的最大增幅是17.5倍,并且其第一主频的最大增量亦可高达40 Hz。因此,为精确预测车辆转向架、车轮及轮下系统的随机振动频域响应,需综合考虑扣件胶垫的低频初始刚度及其刚度频变幅度。     

地铁产生的环境振动及轨道结构减振分析

以南昌地铁1号线八一广场段为工程背景,对轨道-隧道-大地的三维有限元模型进行动力学分析。分别建立三种道床模型：整体道床、弹性支承块道床和钢弹簧浮置板道床。以振动加速度、1/3倍频程振动加速度级和Z振级作为评价指标,比较不同轨道结构下隧道壁及地面的振动响应。随之减振道床支承刚度的变化,分析道床的自振频率对减振效果的影响。计算表明：列车引起的地面振动主频在40 Hz附近;减振道床的自振频率对减振效果有较大影响;钢弹簧浮置板道床减振效果明显优于弹性支承块道床。     

分数导数描述的层状饱和土中考虑扰动效应的直桩垂直阻抗

为了计算考虑施工扰动效应的单桩垂直阻抗,基于饱和多孔介质理论及分数导数理论对地基的复刚度传递多圈层平面应变模型进行改进,计算了径向非均质的桩周饱和土对桩身的垂直动刚度。其次基于Rayleigh-Love杆模型建立了考虑桩段横向振动效应的轴向振动微分方程,并利用传递矩阵法求解得到了层状饱和土中考虑土体扰动效应的桩顶垂直阻抗的半解析解。对考虑桩周土扰动效应下桩顶垂直阻抗的影响因素进行了参数化分析,研究表明:①桩顶垂直阻抗的共振峰值会随着分数导数阶数的增大而减小,并且该效应会随着外荷载激振频率的增大而越发明显;②对于如砂砾、粗砂、细砂等渗透系数较大的饱和土应考虑土体中流体惯性效应对桩顶垂直阻抗的影响;③与地基表层覆盖软土相比,表层覆盖硬土能在外激振荷载较低时提高桩顶的动刚度系数,在高频时降低系统的共振效应。     

地铁隧道爆破振动测试及时频特征分析

为确保某市地铁隧道安全、高效地爆破开挖,采用网络测振仪测试了隧道掘进爆破时周边建(构)筑物的爆破振速。基于频率切片小波变换开展时频特征分析,首先得到了测振信号的全频带时频分布特征,进而通过5个主成分频率切片区间更进一步精确提取了爆破振动信号时域、频域分布特征,并得到了相应频带内的爆破振动重构分量。实测数据时频特征分析表明,频率切片小波变换具备独特的信号分析优势,适用于地铁爆破振动信号时频特征提取;此次地铁隧道钻爆法开挖产生的质点峰值振速在0.07～0.85 cm/s之间,主频在13.3～68.9 Hz之间,爆破振速处于《爆破安全规程》规定的安全阈值范围内,爆破方案基本合理。     

基于强几何非线性因素的覆冰导线舞动问题研究

分析了覆冰导线前三阶模态中在不同水平张力下各非线性刚度项系数与线性刚度项系数的比,通过讨论水平张力,线性恢复力、非线性恢复力与振动幅值之间的关系,确定了影响覆冰导线系统几何非线性强弱的主要因素。在此基础上,应用待定固有频率法计算了系统的稳态幅值和振动频率。数值模拟表明：各模态幅值均随风速增大而增大,且当受到强几何非线性因素的影响时,各阶模态的振动频率将远离初始频率,此时传统规范形理论的分析结果难以满足模型分析的精度要求,而本文研究结果则可以对模型的振动特性有比较准确地把握。     

扣压力失效状态下WJ-8扣件垂向力学行为研究

为研究扣件扣压力失效对车-轨系统动力性能的影响,通过建立WJ-8扣件精细化分析模型研究了扣件在不同受力阶段的垂向非线性刚度行为,提出了改进的抗拉刚度双线性模型和不受拉弹簧模型用来表征扣压力失效的扣件,并分析了不同扣件失效类型对车辆-轨道系统动力响应特性的影响。分析结果表明,扣件垂向刚度可离散为抗拉刚度与抗压刚度。当上拔力超过扣件扣压力后,扣件的垂向抗拉刚度迅速减小,无法保持对钢轨上移的约束作用。扣件扣压力失效和完全失效都削弱了钢轨的约束,增大了钢轨振动。其中扣压力失效主要增加钢轨在8 Hz～50 Hz范围内的振动,完全失效下钢轨振动在全频段内都有所增加。     

《不同隧道断面结构处的地表振动分析》

地铁列车的振动对隧道周围土体强度和变形有较大的影响。本文以北京地铁5号线的隧道尺寸和土质特性为研究背景,用有限元软件对圆形隧道和矩形隧道在相同列车振动荷载作用下的动力响应进行计算,给出了隧道周围土体的变形情况和地表位移。并将这两种断面的有限元计算结果进行比较和分析,为以后的工程设计提供依据。     

高架桥爆破拆除触地冲击动土压力分析

以南京城西水西门高架爆破工程为研究对象,对高架爆破倒塌触地时振动冲击波引起的冲击动土压力峰值、持时、衰减趋势等方面进行分析,得出触地引起的冲击动土压力主频为0¹0Hz,动土压力随深度增加呈指数衰减规律,为校核地铁隧道稳定性、确保高架桥下部隧道工程的安全提供参考。     

Transient analysis of three-dimensional dynamic interaction between multilayered soil and rigid foundation

The study of dynamic soil-structure interaction is significant to civil engineering applications, such as machine foundation vibration, traffic-induced vibration, and seismic dynamic response. The scaled boundary finite element method (SBFEM) is a semi-analytical algorithm, which is used to solve the dynamic response of a three-dimensional infinite soil. It can automatically satisfy the radiation boundary condition at infinity. Based on the dynamic stiffness matrix equation obtained by the modified SBFEM, a continued fraction algorithm is proposed to solve the dynamic stiffness matrix of layered soil in the frequency-domain. Then, the SBFEM was coupled with the finite element method (FEM) at the interface to solve the dynamic stiffness matrices of the rigid surface/buried foundation. Finally, the mixed-variable algorithm was used to solve the three-dimensional transient dynamic response of the foundation in the time domain. Numerical examples were performed to verify the accuracy of the proposed algorithm in solving the dynamic stiffness matrix of the infinite domain in the frequency domain and the dynamic transient displacement response of the foundation in the time domain. Compared with the previous numerical integration technique, the dynamic stiffness matrix in the frequency domain calculated by using the proposed algorithm has higher accuracy and higher efficiency.