梁文偉，高 健，宋建平，顧海龍，王 勇，高 旭

(中船雙瑞(洛陽(yáng))特種裝備股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000)

1 概述

高速鐵路是世界交通運(yùn)輸領(lǐng)域的重大成果，其在我國(guó)得到了迅速發(fā)展。2020年是我國(guó)十三五規(guī)劃的收官之年，也是《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》所定硬性目標(biāo)的完成階段。數(shù)據(jù)顯示，截止到2020年年底，我國(guó)的鐵路運(yùn)營(yíng)總里程達(dá)到14.6萬(wàn)km左右，其中已經(jīng)開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的高速鐵路達(dá)到3.8萬(wàn)km，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展發(fā)揮了重要的支撐作用[1]。

為了提高高速鐵路的經(jīng)濟(jì)性以及高速鐵路線路的高平順性，避免線路下方土建工程的高挖方、填方，減小路基的不均勻沉降，橋梁結(jié)構(gòu)在軌道交通中占有很高的比例，如圖1所示。

列車(chē)在高速鐵路橋梁上運(yùn)行時(shí)，由于軌道不平順、輪軌蛇形等內(nèi)部激勵(lì)，致使車(chē)橋系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)，橋梁上部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)經(jīng)由梁體傳遞到支座、再通過(guò)支座傳遞到墊石及橋墩，最后振動(dòng)由橋墩、承臺(tái)、基礎(chǔ)等傳遞到周?chē)h(huán)境當(dāng)中，對(duì)橋梁附近的建筑物產(chǎn)生振動(dòng)影響，振動(dòng)傳遞路線示意如圖2所示。

過(guò)去不論城市還是農(nóng)村，建筑物相對(duì)比較分散、稀疏，高鐵橋梁離建筑物一般都較遠(yuǎn)，因此列車(chē)引起的振動(dòng)對(duì)附近的環(huán)境和建筑物基本沒(méi)有影響?，F(xiàn)今，伴隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的迅猛發(fā)展，高鐵橋梁逐漸延伸到城市和農(nóng)村中密集的居民居住區(qū)、工業(yè)區(qū)和商業(yè)區(qū)[2]。而且，高速線路逐步由單線發(fā)展到網(wǎng)狀，密度不斷增加，貨運(yùn)和客運(yùn)鐵路荷載不斷加重，列車(chē)速度不斷提高，這使得高速鐵路帶來(lái)的振動(dòng)問(wèn)題日益顯著。而且隨著對(duì)高品質(zhì)生活的追求，人們對(duì)環(huán)境振動(dòng)與噪聲的容忍程度越來(lái)越低。

由于交通系統(tǒng)引起的環(huán)境振動(dòng)不像地震那樣具有足夠的破壞和顛覆力量，因此長(zhǎng)期以來(lái)并沒(méi)有受到專家學(xué)者的重視，也未有更深入的研究。但是這種長(zhǎng)期的、隱形存在的振動(dòng)，對(duì)文物古跡的保護(hù)、精密儀器的使用和人民的生產(chǎn)、生活等各方面確實(shí)造成了嚴(yán)重的威脅。因此，目前國(guó)際上已經(jīng)把振動(dòng)列為七大環(huán)境公害之一，而交通系統(tǒng)又是引起環(huán)境振動(dòng)的主要原因之一[3]。通常，高速列車(chē)通過(guò)高架橋梁所引起的振動(dòng)危害總結(jié)下來(lái)主要集中在以下幾個(gè)方面：

1)對(duì)周邊建筑物的影響，包括現(xiàn)代建筑和古建筑；2)影響人們的生產(chǎn)和生活；3)影響工廠和實(shí)驗(yàn)室里精密儀器的正常使用；4)影響人們身體健康等。據(jù)研究，振動(dòng)達(dá)到一定級(jí)別后，長(zhǎng)期作用在人身上會(huì)引起不同程度的器官損傷，也會(huì)造成不同程度的精神問(wèn)題。

綜上所述，高速鐵路的發(fā)展雖然整體符合國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民便利生活的需求，但也同時(shí)造成了一些環(huán)境振動(dòng)污染問(wèn)題。我們迫切需要平衡這些矛盾，研究并處理高速鐵路發(fā)展與人居環(huán)境保護(hù)的關(guān)系。因此，開(kāi)展高速鐵路橋梁的減隔振措施研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 橋梁減隔振支座的研究

對(duì)于大多數(shù)橋梁結(jié)構(gòu)形式而言，支座是橋梁結(jié)構(gòu)的一個(gè)必不可少的組成部分，若能確定一種合理的支座模型，通過(guò)分析其關(guān)鍵參數(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受交通荷載引起的振動(dòng)控制的影響規(guī)律，將能夠?qū)壍澜煌蛄航Y(jié)構(gòu)引起的環(huán)境振動(dòng)控制提供一種新的思路和方法。

高速鐵路橋梁引起的振動(dòng)向下傳遞通過(guò)基礎(chǔ)傳遞到周?chē)寥?，再傳遞到線路附近的建筑物內(nèi)。經(jīng)研究，振動(dòng)的優(yōu)勢(shì)頻段為1 Hz～80 Hz的不連續(xù)、不規(guī)律的振動(dòng)。避免振動(dòng)波傳遞的最有效的途徑是利用彈簧-阻尼系統(tǒng)進(jìn)行隔振，其原理為將振源與傳播路徑和受振體之間插入彈性連接來(lái)減輕振動(dòng)能量的傳遞。其基本的思想是：通過(guò)在結(jié)構(gòu)中插入一個(gè)低頻的簡(jiǎn)諧振蕩器，從而降低橋梁下部結(jié)構(gòu)對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)振動(dòng)的敏感程度。因此，一個(gè)解決思路是在梁體和橋墩之間設(shè)置具有一定彈性的橋梁支座[4]。

綜合目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究，隔振支座主要有兩種形式：

1)在支座中加入橡膠等非金屬材料，從而增加支座的阻尼和適當(dāng)降低支座剛度。

2)在支座豎向串聯(lián)一彈性元件，從而降低支座剛度。

上述橋梁隔振支座的共同點(diǎn)均是適當(dāng)降低支座剛度，從而降低支座基頻，使得支座基頻設(shè)計(jì)值在10 Hz～14 Hz左右[5](見(jiàn)圖3)。

針對(duì)目前高鐵橋梁常見(jiàn)的球型支座、盆式橡膠支座以及具備隔振功能的橋梁支座對(duì)橋梁周?chē)ㄖ锏恼駝?dòng)影響的研究尚屬于空白。因此，本文主要針對(duì)高速鐵路簡(jiǎn)支梁橋常見(jiàn)的普通球型支座、盆式橡膠支座以及豎向隔振支座，分析研究其對(duì)周?chē)ㄖ锏恼駝?dòng)影響。

3 車(chē)-線-橋-場(chǎng)地土-鄰近建筑耦合系統(tǒng)模型

與一般路基線路的軌道交通相比，高架軌道交通因其具有更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式及荷載傳遞路徑，使得高速鐵路橋梁段環(huán)境振動(dòng)的振源激勵(lì)與傳播過(guò)程相比路基段更為復(fù)雜。在環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題中，高速鐵路橋梁段相對(duì)于路基段具有如下特點(diǎn)：1)列車(chē)運(yùn)行產(chǎn)生的輪軌動(dòng)荷載經(jīng)由軌道結(jié)構(gòu)、梁體、支座、橋墩和橋梁基礎(chǔ)等傳遞到基礎(chǔ)周?chē)牡鼗林?，因而荷載傳遞路徑更為復(fù)雜；2)橋梁本身是由一定空間間隔的橋墩支撐的架空結(jié)構(gòu)，橋墩和基礎(chǔ)在橋梁延伸方向按一定間距設(shè)置，因而由基礎(chǔ)傳遞至地基的激振荷載位置是固定的且是空間不連續(xù)的；3)高架橋多采用樁基礎(chǔ)，對(duì)于地基土中特定觀測(cè)點(diǎn)而言，其響應(yīng)由樁基上不同位置和深度的基礎(chǔ)-地基相互作用點(diǎn)所激發(fā)的相位各有差異的振動(dòng)波疊加得到。此外列車(chē)在高架橋上運(yùn)行時(shí)，以一定時(shí)間間隔先后通過(guò)各個(gè)橋墩，使得各橋墩位置處的振源激勵(lì)存在一定相位差。因此，高速鐵路橋梁段引起的地基土振動(dòng)應(yīng)考慮上述兩重相位差影響。

為簡(jiǎn)化分析，模型采用如下假設(shè)：

1)高速列車(chē)振動(dòng)傳遞到土壤中的振動(dòng)響應(yīng)幅值比較小，因此可以假設(shè)地基土模型材料為小變形和線彈性。

2)對(duì)于雙線高速鐵路橋梁，列車(chē)荷載相對(duì)于箱梁中軸線存在一定偏心從而會(huì)產(chǎn)生扭矩，仿真分析時(shí)不考慮箱梁的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，同時(shí)也不考慮箱梁截面扭轉(zhuǎn)對(duì)箱梁豎向撓度的影響。

考慮到高速鐵路橋梁板式無(wú)砟軌道的特點(diǎn)，車(chē)-線-橋耦合模型中，鋼軌采用無(wú)限長(zhǎng)Euler-Bernoulli梁模擬，軌道板和箱梁可模擬為兩端自由的Euler-Bernoulli梁。鋼軌扣件、自密實(shí)混凝土層及橋梁支座均采用復(fù)剛度彈簧進(jìn)行模擬。

本文首先采用通用有限元分析軟件建立橋梁、橋墩、樁土、建筑物等有限元模型。然后利用動(dòng)力學(xué)軟件建立列車(chē)、軌道、扣件、支座等模型。通過(guò)兩個(gè)軟件的信息交流，最終在動(dòng)力學(xué)軟件里實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真分析。其中車(chē)輛參數(shù)如表1所示、橋梁參數(shù)如表2所示、橋墩參數(shù)如表3所示、土體參數(shù)采用表4中的Ⅲ類場(chǎng)地土、土體計(jì)算規(guī)模取5倍基礎(chǔ)尺寸，在土體計(jì)算域截?cái)嗵幉捎灭椥匀斯み吔?；軌道不平順采用美?guó)六級(jí)軌道不平順譜；橋梁支座則分別釆用盆式橡膠支座，普通球型支座和減振降噪球型支座，支座豎向基頻設(shè)置根據(jù)支座豎向剛度測(cè)試值換算得到，具體值如表5所示。建筑物參數(shù)選取表6中的框架結(jié)構(gòu)。所建車(chē)-線-橋-場(chǎng)地土-鄰近建筑物整體模型如圖4所示。

表1 列車(chē)基本參數(shù)

表2 橋梁模型各項(xiàng)基本參數(shù)

表3 圓柱形實(shí)體墩各項(xiàng)基本參數(shù)

表4 地基土基本物理參數(shù)

表5 支座基頻設(shè)置

表6 框架結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

4 車(chē)-線-橋耦合振動(dòng)對(duì)鄰近建筑的振動(dòng)影響

4.1 采用不同支座類型時(shí)對(duì)鄰近建筑物的影響

為分析采用不同支座類型對(duì)鄰近建筑物振動(dòng)的影響，支座分別選擇盆式橡膠支座、普通球型支座和隔振球型支座。車(chē)速設(shè)定為300 km/h，建筑物距離橋梁40 m(距橋梁中線)，對(duì)比分析了5層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的各層豎向加速度、位移。

表7～表11分別給出了采用不同類型支座時(shí)的周邊建筑各層的加速度、位移幅值。

圖5，圖6分別繪出了周邊建筑各層豎向加速度幅值、豎向位移幅值隨著不同支座類型而變化的曲線。

表7 采用不同支座類型的建筑一層處的加速度、位移幅值的變化

表8 采用不同支座類型的建筑二層處的加速度、位移幅值的變化

表9 采用不同支座類型的建筑三層處的加速度、位移幅值的變化

表10 采用不同支座類型的建筑四層處的加速度、位移幅值的變化

表11 采用不同支座類型的建筑五層處的加速度、位移幅值的變化

從表7～表11，圖5和圖6可以看出對(duì)于建筑物的豎向振動(dòng)來(lái)說(shuō)，減隔振效果分別為：隔振球型支座>盆式橡膠支座>普通球型支座。從不同樓層的角度看，隨著樓層的增加，豎向振動(dòng)幅值基本無(wú)變化。

4.2 建筑物距離振源不同時(shí)對(duì)建筑物的振動(dòng)影響

為了分析建筑物距離橋梁不同時(shí)的振動(dòng)規(guī)律。模型分別?。?0 m,40 m(4.1小節(jié)),80 m,160 m和320 m。車(chē)速選擇300 km/h。表12～表16為不同距離時(shí)，采用三種類型的支座時(shí)的建筑物5層的振動(dòng)數(shù)據(jù)。根據(jù)豎向加速度值換算得到振級(jí)數(shù)據(jù)如表17所示,城市各類區(qū)域鉛錘向振級(jí)數(shù)據(jù)如表18所示。

表12 建筑物距橋梁20 m時(shí)頂層振動(dòng)加速度、位移幅值的變化

表13 建筑物距橋梁40 m時(shí)頂層振動(dòng)加速度、位移幅值的變化

表14 建筑物距橋梁80 m時(shí)頂層振動(dòng)加速度、位移幅值的變化

表15 建筑物距橋梁160 m時(shí)頂層振動(dòng)加速度、位移幅值的變化

表16 建筑物距橋梁320 m時(shí)頂層振動(dòng)加速度、位移幅值的變化

表17 不同振源距離下建筑豎向振動(dòng)振級(jí)

表18 城市各類區(qū)域鉛錘向振級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值 dB

由表12～表18數(shù)據(jù)，可以得到如下結(jié)論：

1)由表12～表16可得，建筑物距離橋墩隨著距離的增加，豎向振動(dòng)在減弱，且基本呈現(xiàn)線性減少。不同距離下，建筑振動(dòng)強(qiáng)弱均為：普通球型支座>盆式橡膠支座>隔振球型支座。

2)由表17，表18可得，建筑物距離橋梁40 m以內(nèi)(包括)，采用盆式橡膠支座和普通球型支座時(shí)振動(dòng)全部超過(guò)城市區(qū)域振動(dòng)限值，采用隔振支座基本能滿足所有城市區(qū)域建筑的振動(dòng)限制要求。而隨著距離的增加，當(dāng)建筑物距離橋梁超過(guò)160 m后，除特殊住宅區(qū)外，對(duì)于其他類型區(qū)域采用三種類型支座均能滿足控制要求。當(dāng)建筑物距離橋梁超過(guò)320 m以上時(shí)，采用三種類型的支座均能滿足所有區(qū)域的建筑的振動(dòng)控制要求。

5 結(jié)論

本文建立了車(chē)-線-橋-場(chǎng)地土-鄰近建筑物耦合系統(tǒng)模型。研究了車(chē)線橋耦合振動(dòng)對(duì)鄰近建筑物振動(dòng)的影響，得到以下結(jié)論：1)建筑物距離橋梁振源一定時(shí)，各樓層的豎向振動(dòng)變化不大，隔振支座豎向隔振性能>盆式橡膠支座>普通球型支座。2)隨著建筑物距離橋梁振源的增加，豎向振動(dòng)在減弱。3)根據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》，當(dāng)建筑物距離橋梁振源不大于40 m時(shí)，采用隔振支座能滿足絕大多數(shù)類型建筑區(qū)域的振動(dòng)限制要求。當(dāng)建筑物距離橋梁振源大于320 m時(shí)，采用三種類型的支座，建筑物振動(dòng)均能達(dá)到要求。當(dāng)建筑物距離橋梁振源在40 m以上320 m以下時(shí)，可根據(jù)房屋區(qū)域類型合理選用支座類型。