高速列车诱发环境振动传播特性的试验研究

高速列车经过城区必然会给沿线的居民和建筑造成环境振动与噪声污染，随着高速铁路和城市轨道交通的大量新建，铁路振动扰民问题日益突出，已成为城市建设与发展中人们关注的焦点之一。及时开展高速列车诱发环境振动传播特性的研究既有理论意义，又有指导铁路建设实际的作用。主要研究内容包括：从试验的角度并结合数值模拟研究高速列车诱发环境振动的传播特性，研究测量列车作用于大地表面动荷载密度的实验方法，实测典型的我国高速列车荷载密度函数，绘制频谱图；研究振源与受振点间在点振源的作用下测量大地振动传递导纳的实验方法，探讨利用一系列实测点源传递导纳运用数值积分法推求等效的线源传递导纳的技术方法和计算理论；建立包含整车和钢轨、扣件、轨枕、道砟及路基为一体的新型车辆单元和轨道单元模型并进行软件开发。在此基础上，初步构建预测和评价我国高速铁路环境振动的理论体系，为新线设计和既有线铁路环境振动评价提供准确和可靠的预测方法。

本项目取得的主要成果如下：. 1、假设列车荷载密度函数、大地振动传递导纳及建筑物与地面的耦合都是独立的，建立根据列车荷载密度函数和大地振动传递导纳预测地面结构振动级的计算公式。研究了列车通过时，测量列车作用于大地表面的动荷载密度的实验方法；研究了测量振源与受振点间大地振动传递导纳的实验方法。在京沪高速铁路先导段，实测了列车荷载密度函数、大地振动传递导纳、大地表面距离轨道中心不同距离处的速度和加速度振动级，分析了列车诱发环境振动的传播特性规律，得到了相关结论。. 2、 运用有限元法和Lagrange方程，建立了列车－轨道－路基耦合系统动力分析模型，提出了新型板式轨道单元，并推导了单元的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵。板式轨道单元包含钢轨，扣件，轨道板，CA砂浆层，混凝土支撑层和路基。运用Matlab编制了计算程序FEST。整个列车－轨道－路基耦合系统只需离散成车辆单元和轨道单元，轨道－路基系统离散成轨道单元，一节车辆离散为一个车辆单元，计算时只需形成一次轨道－路基系统的总刚度矩阵、总质量矩阵和总阻尼矩阵，以后在每一时步的计算中，只需组集车辆单元的刚度、质量和阻尼矩阵，因而极大地提高了计算效率。由于控制方程的建立是基于能量原理，所得到的刚度、质量和阻尼矩阵都是对称的，又由于整个列车－轨道－路基耦合系统只包含车辆和轨道两种单元，使得程序编制特别容易。因而该单元具有程序编制容易、计算效率高的特点。. 3、利用所研发的软件对典型高速铁路附近建筑物的振动特性、振动传播规律及其影响因素进行了仿真分析，并与实测结果进行了对比。结果表明，列车引发的建筑物振动属于低频振动，建筑物结构对高频振动具有衰减的作用；振动随列车速度的提高而增大，随列车编组的加长而增大，随列车轴重的增加而增大，随建筑物到轨道中心线距离的增大而减小；建筑物的振动级随楼层的上升呈折线分布；框架结构相对于剪力墙结构能更好地抑制振动的产生。