廉潔

摘 要：本文重點(diǎn)研究高速鐵路引起振動(dòng)的隔振研究，通過(guò)ANSYS建模進(jìn)行有限元分析，在設(shè)置空溝的情況下，豎向振動(dòng)加速度變化規(guī)律及隔振效果分析。

關(guān)鍵詞：隔振研究；振動(dòng)；有限元分析

近些年來(lái)，高速鐵路已成為我國(guó)普遍應(yīng)用并且迅速發(fā)展的運(yùn)輸方式，但是隨著列車(chē)速度的提高，由高鐵線(xiàn)路產(chǎn)生的噪聲與振動(dòng)強(qiáng)度也變得更高，因此學(xué)者們開(kāi)始密切關(guān)注和研究高速鐵路如何減小振動(dòng)對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。

屏障系統(tǒng)被看作是防止和減輕地面振動(dòng)的有效措施?？偟膩?lái)說(shuō)，一直以來(lái)研究最多的是連續(xù)屏障隔振，其中開(kāi)口空鉤即明溝使用最多，明溝比起其他形式的屏障有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，隔振效果也較好，但是過(guò)去研究的屏障計(jì)算模型多以二維有限元模型為主，三維有限元模型的隔振研究較少。

因此，本文采用列車(chē)—空溝—大地的三維有限元分析模型研究不同隔振措施對(duì)列車(chē)引起的地面振動(dòng)影響，并從傳播路徑上采用明溝對(duì)地面進(jìn)行隔振分析，并比較這幾種隔振的隔振效果，最后提出隔振的優(yōu)化措施。

一、理論模型

（一）車(chē)輛荷載模型

豎向輪軌力主要出現(xiàn)在三個(gè)頻率范圍內(nèi)，低頻范圍、中頻范圍、高頻范圍，通常采用一個(gè)激振力函數(shù)來(lái)模擬輪軌力

二、有限元模型

（一）列車(chē)

列車(chē)已經(jīng)被簡(jiǎn)化為一系列的垂直荷載F（t），它根據(jù)火車(chē)的幾何形狀和組成加載在不同位置并以恒定的速度在軌道上移動(dòng)。列車(chē)如圖1所示。

（二）軌道

軌道被視為彈性歐拉-伯努利梁，這是由一個(gè)初等梁的無(wú)窮級(jí)數(shù)構(gòu)成，其中撓曲剛度EI和單位長(zhǎng)度質(zhì)量M。軌道的總體動(dòng)態(tài)剛度矩陣Kt是通過(guò)所有初等梁的動(dòng)態(tài)剛度矩陣組合構(gòu)成。

其中Ki是靜態(tài)剛度矩陣，Mi是連續(xù)質(zhì)量矩陣。

（三）樁土耦合

將軌道模擬為彈性歐拉-伯努利梁，通過(guò)一系列離散的點(diǎn)被連接到土體。土體被模擬為一個(gè)連續(xù)的水平層狀半空間，土體特征是頻率相關(guān)的剛度和阻尼。

（四）建模

采用通用有限元軟件ANSYS[7-10]建立模型，軌道和混凝土樁采用BEAM4單元，軌道和混凝土樁之間采用采用COMBIN14彈簧單元，土體采用SOLID45單元，邊界與COMBIN14彈簧單元連接，另一端固定。

模型選取長(zhǎng)300m，寬72m，高58m。周?chē)捎萌斯ふ硰椥赃吔鏪6]，人工粘彈性邊界由彈簧和阻尼單元并聯(lián)組成，與土體邊界垂直。取結(jié)構(gòu)的一半建模，地基土為成層土，分為四層。具體地基土參數(shù)見(jiàn)表1。

三、結(jié)構(gòu)分析

（一）空溝寬度w的影響

采用圖3模型，隔振溝的溝深h=5m，空溝距路基20m，第一測(cè)點(diǎn)位于20m處，以后5m一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共9個(gè)測(cè)點(diǎn)，隔振溝的寬度w分別取lm、2m、3m和4m。圖4（a）和圖4（b）分別是兩種不同速度下，地面不同測(cè)點(diǎn)豎向加速度振級(jí)隨距離的變化規(guī)律。

從圖4中可以看出，當(dāng)w增加時(shí)，地面豎向加速度有效值會(huì)逐漸降低，并且當(dāng)w=2m時(shí)，地面的減振效果最佳；但h繼續(xù)增加時(shí)，地面豎向振動(dòng)變化都很小，說(shuō)明在一定的溝寬范圍內(nèi)，w增大可有效降低地面的振動(dòng)水平，w超過(guò)一定值后，w的繼續(xù)增加對(duì)地面的振動(dòng)影響較小。

（二）空溝深度h的影響

空溝距路基20m，第一測(cè)點(diǎn)位于20m處，以后5m一個(gè)測(cè)點(diǎn)，一共9個(gè)測(cè)點(diǎn)，溝寬w=lm。隔振溝的深度h分別取3m、5m、7m和9m。圖5分別是兩種不同的列車(chē)速度下，地面不同測(cè)點(diǎn)豎向加速度振級(jí)隨距離的變化規(guī)律。

從圖5中可以看出，速度v =72km/h和v =216km/h時(shí)，空溝處的豎向加速度有效值都明顯降低，振動(dòng)減弱；當(dāng)以高速v =216km/h運(yùn)行時(shí)，減震在15～26dB左右，當(dāng)以低速v =72km/h運(yùn)行時(shí)，減震在10～18dB左右，高速減震效果約是低速減震效果的1.5倍；并且空溝之后的測(cè)點(diǎn)下降也很明顯。說(shuō)明空溝能夠起到減震效果，并且，空溝越深，其有效隔振頻率的下限就越低，減振效果越好，減震在10dB左右。

（三）有無(wú)空溝的頻譜分析

選用空溝距路基20m，寬度為w=2m，深度為h=5m的隔振溝和無(wú)隔振溝條件下，地面豎向加速度頻譜進(jìn)行對(duì)比。如圖6（a）與圖6（b）分別是v=72km/h和v=216km/h情況下，有、無(wú)隔振溝下地面加速度振動(dòng)頻譜對(duì)比圖。

（a）v=72km/h （b）v =216km/h

圖6 有、無(wú)空溝的地面振動(dòng)加速度傅里葉譜

從圖6中可以看出，高頻振動(dòng)部分衰減較快；地面豎向振動(dòng)都屬于低頻振動(dòng)，主頻率在20～40Hz。有無(wú)隔振溝，對(duì)地面豎向振動(dòng)主頻率值沒(méi)有影響，但對(duì)幅值影響較大，有隔振溝時(shí)，主頻的幅值下降較多，這與前面采取空溝措施時(shí)，地面加速度振級(jí)與無(wú)隔振措施相比降低很多的結(jié)果相吻合。從加速度振級(jí)和頻譜兩方面都說(shuō)明，空溝對(duì)低頻振動(dòng)有較好的隔振效果。

四、結(jié)論

對(duì)于由高速列車(chē)引起地面的低頻振動(dòng)中，主要通過(guò)隔斷波的傳播途徑有效的降低運(yùn)行列車(chē)對(duì)地面的振動(dòng)影響?？諟洗胧┬Ч黠@，隨著隔振溝深度的增加對(duì)溝后土體振動(dòng)的隔振效果越來(lái)越好，而且，空溝寬度也對(duì)溝后土體振動(dòng)的隔振效果有一定的影響，寬度有一最優(yōu)值，在w=2m這一寬度下，空溝隔振效果最佳。

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