冻土场地中列车振动荷载下的近场隔振屏障研究

论文摘要

随着我国高铁与重载运输的高速发展,交通环境振动与噪音对人们的生活与工作产生越来越显著的影响,已经成为当今的一大公害。交通环境振动与噪音不仅干扰沿线居民的生活,也严重影响到周围精密仪器设备的生产与运行,甚至造成建筑的破坏。对外界荷载极为敏感的冻土,交通荷载作用下的破坏性和成灾率尤为显著。我国冻土地区交通建设规模和广度的加大、加深,冻土将面临更大的破坏风险,冻土场地交通振动控制刻不容缓。然而,国内外资料表明,冻土隔振研究仍然是个全新的课题。非冻土场轨道环境振动试验实测资料与隔振、建筑隔震等方面的研究成果,结合冻土的动力学特性,基于波动理论和有限元分析方法,提出了针对冻土特点的轨道振动隔振控制方法,并通过建立的二维平面模型,分析了屏障参数、荷载特性、车辆速度等隔振设施的影响规律,再通过三维数值模拟进行相应的检验,最终优化隔振设施的相关参数,达到最佳的轨道振动控制效果。本文主要研究内容如下:(1)总结了弹性介质中波的传播规律和基本原理、波的衰减与环境振动的评价、地表屏障隔振原理及设计准则、近场主动隔振与远场被动隔振等相关理论。(2)探讨冻土场轨道振动隔振技术数值模拟的参数分析,包括确定冻土土层的各项力学参数,微小变形下土质的本构模型,有限元模型中的模型尺寸、单元尺寸、时间步长等,还有边界条件的选取。(3)通过不同频率简谐激励力作用下的平面模型对隔振屏障进行多参数分析,分析各个参数在不同频段的隔振效果,从中选择最优方案;本文最终选择的隔振屏障为连续与非连续屏障相结合的方案。(4)完成三维变频率简谐荷载作用下多种冻土温度的隔振模拟,分析总结了计算结果,并验证了隔振方案的可取性。(5)模拟列车不同运行速度下的激励力模型,考虑列车的行进效应,分析了不同温度冻土、不同运行速度下振动沿水平垂直轨道方向和竖直方向的衰减规律和隔振效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题研究的背景及其意义
• 1.2 列车振动产生的环境振动对周围环境的影响
• 1.2.1 环境振动对邻近居民日常生活的影响
• 1.2.2 环境振动对周边建筑和精密仪器设备影响
• 1.3 轨道交通引发环境振动的研究内容、方法和现状
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 主要研究方法
• 1.3.3 国内外研究现状
• 1.4 隔振屏障的研究现状
• 1.4.1 列车环境振动隔振措施概述
• 1.4.2 连续隔振屏障的相关实验研究和理论研究
• 1.4.3 非连续隔振屏障的相关试验研究和理论研究
• 1.4.4 冻土场地的隔振研究现状
• 1.5 存在的问题与本文的研究内容
• 第2章 波动理论与弹性波隔振方法
• 2.1 概述
• 2.2 近场与远场隔振
• 2.3 弹性介质中的振动波
• 2.3.1 体波
• 2.3.2 面波
• 2.3.3 弹性波的波动方程
• 2.4 振动波在土体介质中的衰减与环境振动的评价
• 2.4.1 振动波在土体介质中的衰减
• 2.4.2 环境振动的评价
• 2.5 隔振屏障的相关理论和设计准则
• 2.5.1 概述
• 2.5.2 连续屏障隔振基本理论
• 2.5.3 非连续屏障的隔振原理
• 2.6 本章小结
• 第3章 冻土场轨道振动隔振技术数值模拟的参数分析
• 3.1 概述
• 3.2 基本假设
• 3.3 冻土土层参数和性质
• 3.4 土体的线性阻尼本构
• 3.4.1 一般线性体本构模型
• 3.4.2 开尔文模型
• 3.4.3 麦克斯韦模型
• 3.4.4 标准线性体与一般线性体
• 3.5 模型尺寸、单元参数、时间步长等选取
• 3.5.1 模型的总体尺寸
• 3.5.2 单元网格尺寸
• 3.5.3 计算的时间步长
• 3.6 列车激励力模型
• 3.7 边界处理
• 3.7.1 远置边界
• 3.7.2 粘弹性边界
• 3.8 本章小结
• 第4章 列车荷载环境振动近场隔振的二维分析与设计
• 4.1 概述
• 4.2 简谐激励力下振动场的稳态响应
• 4.3 简谐激励力下隔振屏障二维多参数分析
• 4.3.1 隔振沟不同宽度
• 4.3.2 不同排桩排间距
• 4.3.3 不同桩间中心距
• 4.3.4 排桩不同排数及布置位置
• 4.3.5 隔振沟不同开挖深度的隔振对比
• 4.3.6 隔振沟不同填充物
• 4.4 本章小结
• 第5章 多种温度下冻土隔振屏障的三维分析
• 5.1 概述
• 5.2 多种温度下冻土层中屏障在简谐荷载作用下的三维分析
• 5.2.1 三层冻土层温度-16℃、-9℃、-4℃屏障的隔振分析
• 5.2.2 三层冻土层温度-5℃、-3℃、- 1.5℃屏障的隔振分析
• ℃、0>℃、-1℃屏障的隔振分析'>5.2.3 三层冻土层温度0>℃、0>℃、-1℃屏障的隔振分析
• 5.3 多种温度下冻土层中屏障在列车不同速度下的三维时程分析
• 5.3.1 场地质点在瞬态激励力下的响应
• 5.3.2 冻土场地中的三维隔振时程分析
• 5.3.3 列车不同速度、不同温度下地表加速度随距离的衰减
• 5.3.4 不同温度场地中加速度随深度的衰减规律
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢