高速铁路高架桥引起环境振动的预测方法研究

结合我国高速铁路高架桥的实际工程，采用理论模型分析计算和现场测试相结合的方法，通过对高速列车－轨道-桥梁－桥墩-基础-周边地基土这一振动传播体系的分析，建立高速列车－轨道-桥梁－桥墩半解析－数值分析模型和桥墩-基础-周边地基土动力相互作用分析模型来预测我国高速铁路高架桥系统引起的环境振动，并选取适当的高速铁路高架桥段进行现场测试，验证预测模型的正确性。通过理论分析和试验结果研究高速铁路高架桥轨道交通系统环境振动的特点及影响因素、振动在高速列车－高架桥－地基土的传递规律、软土地基上高架桥高速铁路引起环境振动的特点、高速列车在高架桥上运行时是否存在临界速度以及车－桥－墩的共振对地基土振动响应的影响等，进而对减隔振措施提出合理化建议。该课题的研究将会为新线和既有线高速铁路高架轨道交通的环境振动提供预测和评价，为降低高速铁路高架桥地面振动及振动传播提供解决方法和途径，具有重要的社会意义和应用前景。

本项目历时3年，在项目组成员的共同努力下，完成了原计划的研究目标和研究内容，取得了较好的研究成果。提出了高速铁路高架轨道交通引起环境振动的预测模型，为解决高速铁路对环境的振动影响，提高城市环境质量，降低振动水平，具有一定的理论意义和社会价值。. 项目采用理论分析、数值模拟计算和现场测试调研相结合的方法，对高速列车-轨道-桥梁-桥墩-基础-周边地基土这一振动传播体系，主要完成了以下工作：（1）基于刚度矩阵法推导了不同地基土模型的地表面位移的Green函数；（2）基于2.5维TLM+PML方法求解分层地基土的振动，为进一步的边界元理论提供适当的基本解；（3）列车－轨道－地基土相互作用理论分析模型；（4）基于ABAQUS建立了3维车辆—轨道—地基土动力相互作用模型，并对其进行了验证；（5）半空间地基上移动荷载产生的振动和马赫效应；（6）列车—轨道—梁桥半解析分析模型的建立及求解；（7）列车—轨道—桥梁—桥墩—地基土动力耦合系统的数值建模、分析和验证；（8）几种常用减隔振措施研究；（9）试验研究：地下隧道实验室的振动传递试验、北京地铁5号线高架桥段结构振动与噪声的现场测试、南京南站高速铁路火车站站场的振动测试，对轨道交通高架桥系统的预测模型进行了验证。. 通过理论预测模型和试验结果的综合分析，研究了高速铁路高架桥轨道交通系统环境振动的特点及影响因素以及振动在高速列车－高架桥梁－地基土间的传递规律。研究结果表明：地基土的土质状况对振动的影响较大；地基土的阻尼比对地面点振动的影响是一个随距离不断累积的过程；列车在高架桥上运行时存在临界速度，该临界速度与列车－桥梁－桥墩－地基土体系的动力特性密切相关。分别选取空沟、单排桩、实体波阻块、蜂窝波阻块四种形式的屏障对地表各点振动的隔振效果进行比较。研究结果表明：空沟对25Hz以上的振动隔振效果较好，单排桩主要对20Hz左右的振动隔振效果较好，而波阻块对10到20Hz间的振动屏蔽效果较好，蜂窝波阻块对低频段（0-10Hz）的隔振具有显著的效果。