运行列车引起基础—结构体系振动的三维数值分析

2011-08-16 08:02姜海凤卢华喜吴必涛梁平英

华东交通大学学报 2011年4期

姜海凤，卢华喜，吴必涛，梁平英

（华东交通大学土木建筑学院，江西南昌330013）

改革开放30多年来，我国铁路交通发展迅速，大流量的列车运行引起振动响应对人们生活和工作造成的影响，已让它成为振动公害。所谓振动公害，是由于人们活动或者活动时利用的工具等引起的振动对人的身心健康的影响、对学习工作环境的影响、对结构的安全性的影响以及一些精密仪器的性能的影响等。东南大学的张晓春等[1]就地铁引起的振动对人体舒适度的影响问题提出了一个基于模糊理论的建筑结构内人体舒适度的烦恼率模型。北京交通大学马蒙等[2]对西安2号线地铁引起的振动对西安钟楼影响问题采取一系列减振措施。北京大学实验室和设备管理部[3]对附近的北京地铁二号线和十三号线进行振动测试，以分析其对实验室仪器的影响。

近些年来，国内对列车引起的环境振动的研究越来越多。文献[4]根据波数域分层大地波动的求解理论和Fourier变换，研究当列车速度大于200 km·h-1时，路基表面位移迅速增大，尤其当列车速度接近Rayleigh波波速时，会引起共振。文献[5-7]建立了列车—轨道和路基—土层—建筑物二维动力分析模型，在对列车运行产生的振动机理、传播和控制方面和对周围结构的影响分析等取得一定成果。本文以ansys为计算平台，建立了列车—轨道—基础—结构结构的三维动力相互作用分析模型，分析不同土壤条件下、不同轴重下，不同车速下和改变建筑物自身结构特性所得出列车运行引起的环境竖向振动响应特性。

1 列车—轨道—建筑物三维动力分析模型

图1 列车—地基—建筑物三维动力分析模型Fig.1 Three-dimensional dynamic model of train-foundation-buildings

采用通用有限元分析程序ansys建立列车—轨道—基础—建筑物三维动力分析模型（见图1）。传统轨道是有碴轨道，它具有成本低，施工和维修方便等优点，而随着列车的几次提速，容易变形的有碴道床就不再适应了，无碴轨道铁路就孕育而生了。本文采用无碴轨道结构（见图2），对于列车施加于铁路的荷载给出一种简化假设，就是将移动列车简化为无质量的匀速移动常量力；取相邻三节车厢的四个转向架的荷载，即8个移动点荷载。路基长度取为36 m，单元网格划分取0.6 m，周围采用弹性约束，基底采用的是全固定约束。地基、轨道板和CA砂浆层、混凝土承重层用solid45单元；钢轨采用beam188单元；轨下胶垫和扣件采用弹簧一阻尼单元表示，在ansys中选取combin14来模拟。取轨下垫板的弹簧系数[8]kp=6×107 N⋅m-1，阻尼系数 cp=2.5×104 N⋅m-1；扣件的弹簧系数kf=6×107 N⋅m-1，阻尼系数cf=2.5×104 N⋅m-1；扣件及垫板刚度系数 K=1.2×108 N⋅m-1，扣件及垫板阻尼系数 C=1.25×104 N⋅m-1。

在分析模型过程中，假定材料始终保持弹性状态和土层为单一均质的。建筑物体系为单层框架结构：基础采用筏板基础，是用shell63单元；梁柱采用beam188来模拟。表1为ansys中模拟所需的具体计算参数。

图2 无碴轨道横断面图Fig.2 Cross section of ballastless

表1 主要计算参数Tab.1 Main calculating parameters

2 不同特性土的影响

不同特性土是影响列车引起周围结构竖向振动的重要因数。为了研究不同土对列车运行引起建筑物的竖向振动响应特性，场地土取单一均质的；这样便于进行分析研究。分析时，采用速度为V=60 m⋅s-1的同一列车进行模拟。表2为土的主要参数。

在不同场地土条件下，列车引起的周围结构竖向振动结果参见图3、图4、图5。图3（a）（b）分别表

示当场地土为粉质黏土时距离列车轨道中心R=8，12 m处的单层建筑物一层处的位移时程曲线。图4和图5分别表示当场地土为软土和硬土时的振动竖向位移时程曲线。

从以上图中可以看出，当同一列车以216 km/h高速运行时，当土第一种情况时：在距离轨道8 m处的单层建筑物的竖向位移为0.082 3 mm，距离为12 m处时的竖向位移为0.031 5 mm；土为软土时：8 m处的单层建筑物的竖向位移为0.048 4 mm，12 m处的位移为0.016 3 mm；土为硬土时：8 m处建筑物的竖向位移为0.025 mm，12 m处的位移是0.009 1 mm；由此可以看出同一情况下处在松软土的建筑物的位移幅值比硬土的要大，且同一场地土时离轨道越远的建筑物的竖向位移幅值也越小。

表2 土的主要参数Tab.2 Main parameters of soil

图3 位移时程Fig.3 Time history curves of displacement

图4 位移时程Fig.4 Time history curves of displacement

图5 位移时程Fig.5 Time history curves of displacement

3 列车速度的影响

在同一场地土条件下，不同列车速度引起的周围结构竖向振动结果参见图6、图7、图8。图6（a）（b）分别表示当列车以V=30 m⋅s-1时距离列车轨道中心R=8，12 m处的单层建筑物一层处的竖向加速度时程曲线。图7和图8分别表示V=60 m⋅s-1和120m⋅s-1时的竖向加速度时程曲线。

图6 加速度时程Fig.6 Time history curves of acceleration

图7 加速度时程Fig.7 Time history curves of acceleration

图8 加速度时程Fig.8 Time history curves of acceleration

由以上图可知，对于3组不同车速，车速是越大，建筑物的竖向加速度基本也是随之越大；同一车速，离轨道越远处的建筑物的竖向加速度越小。

4 列车轴重对竖向加速度振动的影响

列车轴重对竖向振动强度有较大的影响。一般情况下，货车的轴重比客车重。由文献[9]知，轴重210 kN的货车比142.5 kN的客车引起的加速度大50%～60%，位移大45%～50%。本文在同样的列车速度条件下，分别以轴重80，140，190 kN来进行计算分析比较。图9（a）（b）分别表示当列车轴重为140 kN时距离列车轨道中心R=8，12 m处的单层建筑物一层处的竖向加速度时程曲线。图7和图10分别表示轴重为80、190 kN时的竖向加速度时程曲线。从图7，图9，图10看出计算结果规律文献一致：轴重越大，建筑物的竖向振动响应越大。