详情

原文传递高速铁路桥梁段车致地面振动的半解析分析与试验研究

论文题名：	高速铁路桥梁段车致地面振动的半解析分析与试验研究
关键词：	铁路桥梁;高速列车;地面振动;耦合分析;动力响应
摘要：	铁路网的不断完善与运行车速的不断提高给人们的生活和出行带来诸多便利的同时，也引发了困扰人们的环境振动问题。列车运行速度的提高使得车辆与轨道结构之间的动力相互作用加剧，振动的加剧可能威胁列车运行安全。与此同时，振动能量以弹性波的形式在地基土中传播，对沿线居民的身心健康、临近建筑物和精密仪器的正常使用等造成了越来越严重的影响。使得高速运行列车引起的振动问题备受关注。　　本文以津秦客运专线桥梁段车致地面振动为研究对象，采用理论分析与现场试验相结合的研究方法，对高速铁路桥梁段车致地面振动问题进行了较为系统的研究，主要工作和成果如下：　　(1)在查阅国内外文献的基础上，对高架轨道交通引起环境振动问题相关领域的研究现状进行了总结和评述，明确了本文研究的内容和方向。　　(2)以高速铁路上典型的CRTSⅡ型板式无砟轨道桥梁为研究对象，建立了频域内的1/8车辆-板式无砟轨道-桥梁垂向耦合动力分析模型。详细推导了该模型中各部分的导纳以及动态轮轨力的求解公式，最终求得支座反力。考虑到多车轮同时作用于轨道结构时，车轮之间经由车辆自身悬挂和点头惯量以及轨道结构而发生的相互作用以及由于轴距和车辆定距的存在，轮轨接触处的激励出现时间滞后等问题，进一步建立了1/2车辆与4层叠合梁耦合的车辆-轨道-桥梁垂向耦合模型。在此基础上，探讨车辆和轨道模型的关键参数对动态轮轨力和桥梁支座动反力的影响。舍去影响很小的模型参数，仅保留影响较大的模型参数，最终得到求解支座反力的车轮与2层叠合梁耦合的车辆-轨道-桥梁垂向耦合模型。　　(3)基于薄层单元法，引入形函数表示层状地基薄层单元内部沿垂向任意位置处的响应，结合伽辽金加权残值法，得到薄层单元的单刚矩阵，引入粘性边界条件，对层状土的单刚矩阵进行集总得到总刚矩阵。对总刚矩阵进行谱分析，得到各土层层面上的特征值和特征向量，采用模态叠加法进一步求得层状地基频率-波数域内的位移响应。根据频率-波数域与频率-空间域内的位移关系，得到层状地基频率-空间域内的位移响应表达式。基于Fortran平台编制了计算程序，通过算例对程序进行了验证，并对分层地基土的频散特性进行了分析。　　(4)基于薄层单元法的位移基本解，采用容积法建立了频域内的三维层状地基中桩基-地基耦合动力分析模型。基于Fortran平台编制了计算程序，求解了桩基动力阻抗函数及地基土的动力响应。探讨了桩基顶部受单位简谐荷载时，基础类型、土体剪切波速、土体密度和土体阻尼比等参数对地基土动力响应的影响规律。　　(5)针对津秦客运专线桥梁段车致地面振动问题进行了现场测试，在时域和频域内对测试数据进行了分析，得到了不同车速下振动波在土体中的一些传播规律，进一步指导和验证本文的理论研究工作。　　(6)基于本文提出的列车-轨道-桥梁垂向耦合振动分析模型和三维桩基-地基耦合振动分析模型，提出了分析高速铁路桥梁段车致地面振动问题的频域分析模型。通过列车-轨道-桥梁垂向耦合振动分析模型求出桥墩顶部的支座动反力，将其作用于三维桩基-地基耦合振动分析模型作为外部激励，即可求出自由场地基任意一点的振动响应。理论分析结果与现场实测结果进行对比，对本文提出的高速铁路桥梁段车致地面振动频域模型进行了验证，进一步探讨了车速、钢轨扣件刚度和桥梁支座刚度等因素对预测模型中车辆、桥梁和地基土动力响应的影响规律。
作者：	张志俊
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	李小珍
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文