磁悬浮基础地震反应的三维有限元分析

磁悬浮基础为保证列车的正常运行,对变形要求极高,对于其抗震问题尚没有成熟的方法可供利用。本文采用有限单元法对磁悬浮基础进行了三维动力计算,分析了不同地震波输入对磁悬浮基础地震反应加速度、位移的影响,并计算分析了磁悬浮基础及周围土体的震陷。所得结论可为磁悬浮基础抗震设计提供参考依据。     

An analytical approach to train-induced site vibration around Shinkansen viaducts

This study is intended to establish an analytical approach to evaluate the site vibration caused by the passage of bullet trains over Shinkansen viaducts. In this approach, to simplify the problem the entire train–bridge–ground interaction system is divided into two subsystems: train–bridge interaction and foundation–ground interaction. In the train–bridge interaction problem, the analytical programme to simulate the traffic-induced bridge vibration is developed. Then, the dynamic responses of the viaducts are calculated to obtain the dynamic reaction forces at the bottoms of the piers. Applying these reaction forces as input excitation forces in the foundation–ground interaction problem, the site vibration around the viaducts is simulated and evaluated using a general-purpose programme.     

数据采集技术在磁悬浮轨道梁检测中的应用

轨道梁检测是磁悬浮列车安全运行的重要保证。轨道梁检测要求检测频率达到200~1 000Hz,同时要求所有32路通道同步采集数据,并且要达到16位的A/D转换精度。通过对系统参数的分析,使用单张32通道单A/D数据采集卡进行伪同步数据采集,即使在1 000Hz的采集频率下其一个周期的采集范围也不超过激光探头的光斑直径。这样就不必购买昂贵的同步设备,从而大大节约了数据采集系统的费用。     

基于移动控制力模型的轨道梁动力特性初步研究

磁浮轨道梁动力特性是磁浮关键技术研究中的重要内容,该方面的研究一直以来备受结构工程界的关注。结合已有研究成果,建立了悬浮模块与轨道梁动力相互作用模型,考虑主动控制的电磁力特性,对一系列悬浮模块在轨道梁上移动引起的动力响应进行数值仿真计算,分析了轨道梁阻尼比、跨数、重量和列车运行速度对轨道梁变形特性的影响规律。分析结果表明:结构阻尼对梁系统动力特性影响较小;基频不变的条件下,简支梁质量变化对梁动力系数的影响很小;随着速度提高,冲击系数总体上呈波动上升趋势,但在正常运行速度下并未出现明显的共振现象。本文的研究结论为轨道梁合理设计参数的选取提供了理论依据。     

中低速磁浮列车-桥梁系统竖向耦合振动#br# 理论分析与试验验证

为探讨中低速磁浮列车-桥梁系统竖向动力相互作用特性,文章将中低速磁浮列车进行两种方式的简化,考虑PID主动悬浮控制系统,基于模态叠加法,建立2种类型的中低速磁浮列车-桥梁系统竖向耦合振动分析模型。随后基于长沙中低速磁浮运营线桥梁动载试验,对建立的2种仿真模型进行对比与验证。基于仿真模型2,以不同梁高的桥A、桥B、桥C为研究对象,对中低速磁浮列车-桥梁系统耦合振动特性进行分析。研究表明：将磁浮列车简化为均布荷载的方式能较为准确的模拟实际状况;桥梁刚度的减小会导致作用于车辆和桥梁上的电磁悬浮力增大,使得车体和桥梁的动力响应变大;磁浮列车低速运行时悬浮力频谱分布较离散,而正常速度运行时较集中;中低速磁浮列车-桥梁系统竖向存在着由电磁悬浮力自身频率引起的共振现象,该共振频率较低。     

基于2.5维有限元法分析横观各向同性地基上列车运行引起的地面振动

 根据2.5维有限元原理,从横观各向同性土体弹性本构方程出发,推导出横观各向同性土体2.5维有限元弹性波动方程。轨道简化成铺设在横观各向同性地基上的Euler梁。在轨道方向的垂直截面上,将轨道结构和地基进行有限元离散,采用八节点单元,每个节点包含3个自由度,从而使复杂的三维问题转化为平面应变问题,再通过FFT逆变换转换为沿轨道方向三维空间中的时域振动响应。分别基于上海和北京地区的典型土质参数,进行场地动力响应分析。结果表明：列车运行引起的北京地区场地的加速度响应幅值及位移响应幅值均分别大于上海地区场地的加速度响应幅值及位移响应幅值;随着距轨道中心处距离的增加,两地区土体的动力响应频率均衰减到简谐荷载的自振频率周围,反映出横观各向同性土体的滤波作用;应力波在软土层中传播所消耗的能量大于在硬土层中传播;列车运行引起的地面振动衰减曲线会出现反弹增大的现象,其反弹特性及出现的位置与地基土体参数及列车运行速度密切相关。     

汶川地震动衰减特性及其大跨高墩连续刚构桥的地震响应规律

为分析不同断层距下,汶川地震动对大跨高墩连续刚构桥的作用效应演变规律,收集了全国129个汶川主震地震台站记录。从工程地震学角度,分析了汶川地震动记录强度指标的衰减特性,总结了PGA、PGV和反应谱的衰减规律。以庙子坪大桥主桥为工程背景,构建了两类不同墩高形式的大跨连续刚构桥梁样本组,对两类桥梁自振周期的代表值进行了对比讨论和分析|基于反应谱分析,拟合得到两类桥梁响应谱随断层距变化的峰值响应曲面,讨论了不同断层距,大跨高墩连续刚构桥的响应特点。研究表明,不同断层距的大跨高墩连续刚构桥梁的地震响应具有明显差异,近断层地震响应明显强烈。研究成果可为大跨高墩连续刚构桥的桥墩布置形式和桥址选择提供借鉴和参考。     

上海磁悬浮列车引起的地面振动测试分析

根据上海磁悬浮列车线路的振动测试结果,对不同运行速度下磁悬浮列车产生的振动进行了分析,初步揭示了磁悬浮列车的振源及其地面振动传播特性,对磁悬浮交通的推广使用和周围沿线的环境保护有重要意义。     

列车荷载作用下路轨系统及饱和弹性半空间上覆盖土层的动力响应

用解析法研究了移动列车荷载作用下下卧成层地基的路轨系统的动力响应问题。将整个系统分为上覆路轨系统和下卧土体。对于路轨系统,将钢轨简化为无限长弹性Euler梁,将枕木简化为连续质量块,同时考虑由Cosserat模型描述的道渣层。在实际工程中,地下水位往往位于地表以下几米处,因此将下卧土体考虑为成层土,其中,上层为弹性介质,下层为由Biot波动方程描述的饱和弹性半空间。在Fourier变换域内,联立铁路系统和下卧土体的动力方程,求解列车荷载作用下钢轨位移、加速度,土体位移、加速度,孔压表达式。利用数值积分方法对表达式进行Fourier逆变换,得到钢轨位移、加速度,土体位移、加速度,孔压在时域内的表达式。着重研究了弹性层厚度、密度、刚度和道渣层质量对钢轨动力响应的影响。计算结果表明,在低速情况下,这些参数对钢轨动力响应影响都很有限,但在高速情况下,这些参数对钢轨动力响应的影响都很大。     

土-结构相互作用对基础隔震体系的影响

本文应用子结构法,分析了土-结构相互作用对线性基础隔震体系基频和结构反应的影响.分析模型中,上部结构取为具有埋置刚性基础的均质剪切梁式模型,地基取为均质、各向同性的粘弹性半空间.上部结构和刚性基础之间设置隔震层.通过对隔震体系反应的传递函数及基于FFT的地震时程反应的分析,讨论了地基土柔性、基础埋深和隔震层刚度对于基础隔震体系基频和结构反应的影响.     

基于2.5维有限元法分析横观各向同性地基上列车运行引起的地面振动

根据2.5维有限元原理,从横观各向同性土体弹性本构方程出发,推导出横观各向同性土体2.5维有限元弹性波动方程.轨道简化成铺设在横观各向同性地基上的Euler梁.在轨道方向的垂直截面上,将轨道结构和地基进行有限元离散,采用八节点单元,每个节点包含三个自由度,从而使复杂的三维问题转化为平面应变问题,再通过FFT逆变换将转换为沿轨道方向三维空间中的时域振动响应.分别基于上海和北京地区的典型土质参数,进行场地动力响应分析.结果表明:列车运行引起的北京地区场地的加速度响应幅值及位移响应幅值均大于上海地区场地;随着距轨道中心处距离的增加,两地区土体的动力响应频率均衰减到简谐荷载的自振频率周围,反映出横观各向同性土体的滤波作用;列车运行引起的地面振动衰减曲线会出现反弹增大的现象,其反弹特性及出现的位置与地基土体参数及列车运行速度密切相关.     

Response of a train moving on multi-span railway bridges undergoing ground settlement

This paper presents an incremental-iterative procedure to investigate the influence of ground settlement on dynamic interactions of train–bridge system. The train is simulated as a sequence of identical sprung mass units with equal intervals and the bridge system as a series of simple beams with identical properties. To resolve the train-induced vibrations of a beam structure undergoing support settlement, this study decomposes the total beam response into two parts: the static response due to vertical support settlement and the dynamic component caused by inertia effect of beam vibration. An exact solution for static displacement is presented by exerting the support displacements on the beam statically. Thus the remaining dynamic response of the vehicle/bridge coupling system is solved by Galerkin’s method and computed using an iterative approach with Newmark’s finite difference formulas. Numerical studies indicate that for the dynamic interactions of train–bridge system, the inclusion of ground settlement is generally small on the bridge response, but it can amplify drastically the vertical response of the moving train, especially for the concave-up settlement profile. This conclusion is of significance in aligning a rail route that has to cross a region with local land subsidence.     

刚性短桩在灯杆基础中的应用

灯杆基础广泛用于市政道路及庭院照明工程中,按照刚性短桩计算其承载力和变位是适用的。本文针对桩在水平荷载作用下桩一土相互作用的工作性能和破坏机理,得出了刚性短桩的弹性水平地基系数计算方法。当桩的入土深度h≤2.5/a时,可视为刚性短桩,其水平荷载的设计承载力由桩侧土的强度及稳定性控制。当地面允许位移很小时(一般为6~10mm),桩身任一点的土抗力与侧向位移可近似为线性关系。对于正常固结的一般土和砂土,水平地基系数随深度增加。在地面下3~5倍桩径范围内,m法计算精度可以满足要求。对上端自由的刚性短桩和上端嵌固的刚性短桩,推导了水平地基系数m法简化计算公式,最后对某工程实例进行计算验证。     

埋置于饱和地基中的刚性圆柱基础的摇摆振动

基于Biot动力控制方程,用解析的方法研究了简谐激振作用下埋置于饱和地基中的刚性圆柱基础的摇摆振动问题。基底以下的土被视为饱和半空间,基础侧面的土视为由若干圆形极薄饱和层组成的独立层,假设土与基础完全黏着接触且接触面完全透水。运用Hankel积分变换对饱和土的动力控制方程进行求解,然后结合基础与地基的混合边值条件求解了相应的动力响应问题,并给出了饱和地基的等效动力刚度表达式。为验证本文结果的正确性,计算了基础位于地基表面时的动力柔度曲线,并与已知文献中的结果进行了相应对比。数值分析结果表明:基础在饱和地基中的动力响应与在弹性地基中有很大的不同,无量纲激振频率、基础埋置深度、渗透系数和泊松比对饱和地基的摇摆动力刚度有很大的影响。     

桩—土相互作用对高墩简支梁桥地震响应的影响

本文以位于木里县的达娃二桥为工程背景,利用反应谱法进行高墩简支梁桥在E2地震作用下的响应分析,分析对比考虑桩—土相互作用效应与否对高墩简支梁桥地震响应的影响。结果表明:当考虑桩—土相互作用时,结构的体系变的更柔,结构位移变大;主墩的弯矩变小,剪力变化趋势相同,但极值点位置发生变化;主梁的内力变化有大有小。     

地铁列车荷载作用下轨道系统及饱和土体动力响应分析

 为研究地铁列车运行引起的轨道系统及饱和土体动力响应问题,建立了地铁列车–轨道结构–衬砌–饱和土体耦合分析模型,其中列车荷载用一系列符合列车几何尺寸的移动常荷载或移动简谐荷载模拟,轨道结构中的钢轨和浮置板简化为无限长弹性Euler梁。基于弹性理论和Biot多孔介质理论,采用2.5维有限元法分别模拟衬砌和饱和土体,结合轨道与衬砌仰拱处的力和位移连续条件,实现浮置板轨道系统与衬砌及周围饱和土体的耦合,并通过快速Fourier逆变换(IFFT)进行波数展开获得三维时域–空间域内的动力响应。研究结果表明,随着常荷载移动速度和移动简谐荷载自振频率的提高,地表振动水平显著增大;移动常荷载产生的地表响应最大值在荷载正上方,其空间衰减率保持恒定;移动简谐荷载产生的地基振动大于移动常荷载产生的地基振动,响应最大值在列车运行线路两侧一定范围内;在移动简谐荷载作用下,钢轨速度谱与地表速度谱分布在以简谐荷载自振频率为中心的一段范围内。     

高速磁浮桥上梁轨道系统方案研究

针对高速磁浮交通新项目前期选线中主要采用的高架线路方案开展了相关工程化应用研究,并介绍了针对高速磁浮高架线路轨道系统方案的优化研究进展。研究立足于优化磁浮系统布置、提高安全疏散效率、节约用地、提高环境保护水平等原则,明确了桥上梁轨道系统方案及相关系统设备布置,提出了结合桥上梁形式的安全疏散逃生方案。通过动模型试验与有限元仿真分析方法,研究了磁浮列车通过桥上梁结构时的空气动力学性能,表明磁浮列车的高速通过空气动力学性能符合要求;结合上海磁浮示范线进行了桥上梁方案的在线模拟展示和降噪性能测试,结果表明,结合声屏障,可将磁浮列车高速气动噪声降低最高13 dB(A)。研究结论在相关工程方案中得到了应用,可为类似高速交通系统工程提供参考。     

Building response to tunnelling

Understanding how buildings respond to tunnelling-induced ground movements is an area of great importance for urban tunnelling projects, particularly for risk management. In this paper, observations of building response to tunnelling, from both centrifuge modelling and a field study in Bologna, are used to identify mechanisms governing the soil–structure interaction. Centrifuge modelling was carried out on an 8-m-diameter beam centrifuge at Cambridge University, with buildings being modelled as highly simplified elastic and inelastic beams of varying stiffness and geometry. The Bologna case study presents the response of two different buildings to the construction of a sprayed concrete lining (SCL) tunnel, 12 m in diameter, with jet grouting and face reinforcement.In both studies, a comparison of the building settlement and horizontal displacement profiles, with the greenfield ground movements, enables the soil structure interaction to be quantified. Encouraging agreement between the modification to the greenfield settlement profile, displayed by the buildings, and estimates made from existing predictive tools is observed. Similarly, both studies indicate that the horizontal strains, induced in the buildings, are typically at least an order of magnitude smaller than the greenfield values. This is consistent with observations in the literature. The potential modification to the settlement distortions is shown to have significant implications on the estimated level of damage. Potential issues for infrastructures connected to buildings, arising from the embedment of rigid buildings into the soil, are also highlighted.     

盾构隧道与竖井连接处管片及接头震害分析

建立弹性、刚性与柔性盾构隧道接头力学模型,考虑管片间及管片与地层间相互作用,结合南京纬三路越江盾构隧道,研究盾构隧道竖井连接处管片及接头震害机制及影响因素。结果表明：在地震荷载作用下,采用柔性接头时,管片、接头震害较弱但管片相对位移较大;采用刚性接头塑性区范围明显变大但管片相对位移较小,采用弹性接头相对位移与塑性区折中。另外,竖井外一定范围土体的加固及管片与地层间的接触非线性对管片及接头的震害影响较大。上述结论与盾构隧道震害资料吻合较好,可为类似工程抗震设计提供参考。     

软土地基上高层隔震结构模型振动台试验研究

通过对高层隔震结构模型在刚性地基和软土地基条件下进行对比振动台试验,研究软土地基上高层隔震结构的地震反应特性和隔震效果。采用叠层剪切型土箱以减小边界影响,采用粉质黏土作为模型土,考虑基底压力的相似,采用高宽比为4的5层钢框架作为上部隔震结构模型,设计了软土地基上高层隔震结构、非隔震结构以及刚性地基上隔震、非隔震结构的振动台试验模型。试验结果表明：土-结构相互作用（SSI）效应对隔震结构的影响程度较非隔震结构轻;SSI效应显著降低了隔震结构模型的自振频率、增加了体系的阻尼;软土地基上隔震结构能够有效减轻结构的地震反应,但是相对于非隔震结构的加速度反应比值增大,隔震效果降低;SSI效应可能增加也可能减小隔震结构的地震反应,不仅与地震动类型有关还与输入地震动强度相关;软土地基上高层隔震结构基础输入地震动与自由场地震动在反应谱水平上基本一致,采用自由场地震动确定基础输入地震动是可行的,且偏于安全,而非隔震结构基础输入地震动则与地基更深层的地震动接近。