凸起地形對鐵路環境振動的影響范文

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摘要：建立了列車作用下路基—凸起地形的二維有限元計算模型，研究了凸起地形寬度，形狀，高寬比以及地基土性質對鐵路環境振動的影響規律。結果表明,凸起地形減弱了鐵路環境振動的地面加速度，明顯放大了水平振動位移，對豎向振動位移的影響不明顯；隨凸起地形寬度、高寬比的增大，水平振動位移的放大效應更為顯著；高寬比越大，豎向、水平兩個方向地面加速度減小越明顯；半圓形、梯形凸起地形對鐵路環境振動的影響較為一致，但三角形凸起地形的水平地面加速度在凸起地形頂部出現明顯的局部放大，水平振動位移的放大效應較半圓形、梯形地形要明顯；地基愈軟弱，凸起地形的影響效應越顯著。

關鍵詞：凸起地形；鐵路環境振動；加速度；振動位移

1引言

近年來，鐵路環境振動問題是國際學術界十分關心的一個課題，學者們側重于這一方面的研究已取得了長足進展。Degrande等[1]現場測試了布魯塞爾-巴黎區間線路上不同列車速度運行時的地面振動，為理論分析提供了大量地面振動的實測數據；Takemiya[2]實測發現深層軟土條件下振動以低頻模態為主，淺層軟土條件下轉向高頻；Lombaert等[3]對比分析了不同車速的現場測試結果，分析了列車速度對地面振動的影響規律；并研究了準靜態和動態荷載對自由場地振動的影響；Connollyd等[4]建立了三維數值模型，分析發現軟路堤會增大周圍土體的振動水平；Kouroussis等[5]研究了土體動力和幾何參數對地面振動傳播的影響。在國內，夏禾等[6]發現地面振動特性與車速和地基土特性緊密相關；雷曉燕等[7]現場實測發現地面低頻振動較高頻振動衰減更慢，遠離振源處地面振動以低頻為主；翟婉明等[8]發現土體阻尼的存在能有效地降低地面振動水平；高廣運等[9]討論了飽和土層參數對振動傳播與衰減的影響規律，地面豎向振動幅值隨孔隙率的增大而減小；巴振寧等[10]建立了2.5維間接邊界元方法，開展了飽和地基透水情況、飽和土孔隙率、飽和基巖與飽和土層剛度比、飽和土層厚度等參數分析；但這些已有研究中都沒討論凸起地形的影響。列車引起的振動通過振動波（面波為主）的形式向外傳播，當振動波入射凸起地形（山包、陡坎等）時，由于凸起地形對波的散射，其傳播將受到影響，從而導致鐵路環境振動也將不同，而目前尚未見對這一問題的報道。地震工程中的這一問題已有研究[11,12]，發現波（面波、體波）入射時，凸起地形會有明顯的放大效應，但列車引起的振動在持時、頻譜特性等方面不同于地震情況。所以要準確反映列車作用下凸起地形對鐵路環境振動的影響，就必須考慮其地形效應。本文針對這一問題，建立了列車作用下的路基—凸起地形計算模型，分析了凸起地形形狀、高寬比、地基土性質等參數的影響規律。

2二維計算模型的建立

采用有限元軟件ANSYS進行建模和計算分析。根據文獻[13]提出的土域計算范圍，并考慮到凸起地形參數變化的需要，本文計算模型范圍取為長200m，深41.3m；采用粘彈性人工邊界模擬外部土域。按照已有研究結果，計算模型的單元網格尺寸取為0.5m，采用Rayleigh阻尼反映地基土阻尼情況。

3計算模型的驗證

為了驗證計算模型的有效性，建立路基-分層地基二維有限元計算模型，利用文獻[15]的某軟土區高速鐵路實測的結果進行對比，文獻[15]實測的列車時速為350km/h。地基土為分層地基，共分為四層。

4凸起地形的參數分析

利用建立的二維計算模型，針對凸起地形的寬度、形狀、高寬比以及地基土性質進行了參數分析。觀測點位置分別為距離軌道中心15m，25m，35m，40m，45m，47m，49m，51m，53m，55m，57m，59m，61m，63m，65m，70m，80m，90m，100m。首先給出了寬度為30m的凸起地形各時刻的位移云圖。

4.1凸起形狀的影響

4.1.1凸起地形寬度

分別選擇寬度為30m、50m、70m五種半圓型凸起地形來分析，凸起地形中點距軌道55m，地基土采用表1中勻質地基，列車速度按250km/h考慮，計算各種寬度凸起地形的豎向、水平地面加速度和振動位移，并與無凸起地形情況的地面振動進行對比，相比于無凸起的平地，凸起地形的存在會明顯減小豎向、水平兩個方向的地面加速度，且當距離軌道較遠時，不同寬度凸起地形的加速度減小趨于一致；結合表2發現，地形寬度對凸起地形頂部豎向加速度減小幅度的影響很小，三種寬度下凸起地形頂部的豎向加速度都在平地時的0.3倍左右；而對于水平地面加速度，地形寬度存在一定影響，即寬度越大，水平加速度減小幅度越大，但寬度較大時這種影響不明顯，如本例中地形寬度30m的凸起地形頂部水平加速度為平地時的0.35倍，而寬度50m、70m的凸起地形頂部水平加速度則分別為平地時的0.26倍、0.22倍。凸起地形對地面豎向振動位移的影響不明顯，凸起地形頂部豎向振動位移的放大倍數也表明了這一點；但對水平振動位移，凸起地形有著顯著的放大效應，且地形寬度越大，放大效應越明顯，表2計算結果顯示，地形寬度為30m時，凸起地形的水平振動位移放大2.05倍，而地形寬度增加到70m時，凸起地形的水平振動位移放大到3.03倍。

4.1.2凸起截面形狀

為分析凸起地形截面形狀的影響，選擇三角形、梯形和半圓形三種截面形狀比較分析，凸起地形的寬度都取為30m，高度15m，距離軌道55m，梯形凸起頂部寬10m，底部寬30m，列車速度按250km/h考慮，計算各種寬度凸起地形的豎向、水平地面加速度和位移，并與無凸起地形的地面振動進行對比，梯形、半圓形兩種截面形狀對兩個方向加速度、振動位移的影響較為一致，三角形凸起地形只在豎向加速度、豎向振動位移的影響上同梯形、半圓形兩種截面形狀相當，而在水平方向存在明顯差異，表現為較大的水平向放大效應，即水平加速度存在局部明顯放大，且水平振動位移的放大效應也較梯形、半圓形凸起地形更為明顯，這是因為三角形凸起地形頂部尖銳而產生能量集中現象。在本例中，三角形的水平振動位移放大為2.3倍，而梯形和半圓形只分別為2.07和2.05倍。

4.1.3高寬比

凸起地形的高寬比h/a即凸起地形高度與底部寬度的比值，為便于分析，本文選取三角形凸起地形進行計算。凸起地形的其它計算參數同凸起截面形狀工況，分別選取高寬比h/a=2.0、1.0、0.5三種情況進行分析。

4.2地基土性質的影響

選擇了三種勻質地基情況比較分析，凸起地形中點距離軌道中心55m，凸起的寬度為30m，高度為15m，半圓形凸起地形，車速為250km/h。

5結論

通過建立列車作用下路基—凸起地形的二維有限元計算模型，討論了凸起地形寬度，形狀，高寬比以及地基土性質對鐵路環境振動的影響，發現凸起地形對鐵路環境振動存在重要影響。（1）凸起地形會減小豎向、水平兩個方向的地面加速度，對豎向振動位移影響不明顯，但會顯著放大水平振動位移，且凸起地形寬度越大，放大效應越顯著。（2）半圓形、梯形凸起地形對鐵路環境振動的影響較為一致，但三角形凸起地形的水平地面加速度在頂部出現明顯的局部放大，水平振動位移的放大效應較半圓形、梯形地形更明顯。（3）凸起地形高寬比越大，豎向、水平兩個方向地面加速度減小越明顯，且三角形凸起地形頂部的水平加速度局部放大效應亦減小。隨著高寬比的增加，凸起地形水平振動位移的放大效應更為顯著。（4）地基愈軟，凸起地形的影響效應愈顯著，而地基變硬時，凸起地形的影響效應減弱。

作者：盧華喜；徐路遙；梁平英；吳必濤單位：華東交通大學