考虑土—结构动力相互作用的轨道交通引起的环境振动及隔振措施研究

论文摘要

随着我国国民经济建设的不断发展和人民生活水平的不断提高,经过六次铁路大提速,列车的运行速度越来越快；此外,重载铁路的开行以及城市轨道交通的迅猛发展,轨道交通引起环境振动问题日益突出。轨道交通引起的振动严重影响附近人们的日常生活和工作,也对临近建筑物的结构安全和精密仪器的正常使用有着不可忽视的影响。因此,对由轨道交通引起的建筑物振动及其隔振措施的研究已成为一项重要的研究课题。本文对地面轨道交通引起的建筑物振动预测和影响参数进行了研究。考虑土体与建筑物基础间动力相互作用的影响,建立了列车-轨道-土体-接触面-建筑物空间系统模型,提出了不同接触条件下列车引起建筑物振动的预测公式。此外,还研究了采取不同的隔振措施对降低列车引起建筑物振动的影响规律。主要研究内容及创新点包括：（1）根据土-结构动力相互作用的基本理论,在土体与建筑物基础间采取变形协调、弹性接触和非线性接触三种不同的接触形式,讨论了不同的接触面形式对列车引起的建筑物、接触面以及建筑物附近土体的振动影响规律。（2）建立了考虑三种不同的接触形式下,地面列车引起的建筑物振动系统分析模型。模型包括两部分：一是建立了列车-轨道结构的振源模型,求出振源激励力；二是土体-接触面-建筑物三维空间有限元模型,计算列车引起的建筑物振动响应。分析模型中,考虑了影响建筑物振动的多种因素,包括轨道不平顺、列车速度、列车距建筑物距离、地基土性质、车辆类型以及建筑物高度等因素的影响。（3）根据所建立的轨道交通引起建筑物振动的分析模型,考虑不同的接触条件,计算了各种影响因素下列车引起的建筑物振动影响规律。通过统计分析,对各因素的影响特征进行了定量分析,回归出三种不同接触条件下,列车引起建筑物振动的预测公式。并通过课题组在现场试验结果对不同预测公式的适用性和准确性进行了对比验证,结果表明：土体-建筑物间考虑非线性接触的预测公式具有较强的适用性和准确性。（4）通过对京-广铁路沿线附近1幢6层砖混结构住宅楼进行现场测试,研究运行列车对附近建筑物振动的影响规律。测试分析表明：运行列车引起附近建筑物振动大小与列车速度、类型以及列车与建筑物间距离等因素间存在着一定的联系。（5）建立了考虑地基土-建筑物间为变形协调和非线性两种接触条件的建筑物空间动力分析模型,计算运行列车作用下的建筑物动力响应规律,并与实测结果进行比较,结果表明,非线性接触模型能较好地预测运行列车引起建筑物的振动。（6）采用数值分析的方法,分析了隔振沟、隔振墙、基础隔振、改变建筑物自身动力特性以及在建筑物楼层上建立二次隔振体系等措施的减振效果,以及对列车引起建筑物振动的影响规律。结果表明：列车引起的建筑物振动属微振动,隔振沟、降低楼板质量和基础隔振等措施对降低列车引起建筑物的微振动效果明显。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 研究内容和研究方法
• 1.2.1 研究内容
• 1.2.2 研究方法
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 轨道交通系统综述
• 1.3.2 环境振动预测综述
• 1.3.3 建筑物振动的隔振措施综述
• 1.3.4 土体-结构动力相互作用研究概况
• 1.4 本论文的主要工作
• 第2章 环境振动的有关控制标准
• 2.1 振动的参量及评价指标
• 2.1.1 振动的参量
• 2.1.2 振动的评价指标
• 2.2 保护人体健康的振动控制标准
• 2.2.1 振动对人们日常生活和工作的影响
• 2.2.2 振动对人体健康的影响
• 2.2.3 保护人体健康的振动控制标准
• 2.3 环境场地振动控制标准
• 2.3.1 我国的相关规范/标准
• 2.3.2 日本的环境振动标准
• 2.3.3 美国运输部的环境场地振动标准
• 2.3.4 客运专线的环境振动标准
• 2.4 建筑物结构安全振动控制标准
• 2.4.1 ISO推荐的建筑振动标准
• 2.4.2 德国标准DIN4150-3-1999
• 2.4.3 英国标准BS7385-2
• 2.4.4 瑞士标准SN640312-1992
• 2.4.5 其它国家对建筑物振动限值的规定
• 2.5 影响精密仪器使用性能的振动容许标准
• 2.6 本章小结
• 第3章 设置界面单元的土-结构动力相互作用分析
• 3.1 概述
• 3.2 几种典型的接触面计算模型
• 3.2.1 薄层接触单元分析
• 3.2.2 刚塑性本构模型的有厚度薄层单元
• 3.2.3 无厚度Goodman接触单元
• 3.3 土体-接触面-建筑物（结构）相互作用分析
• 3.3.1 土体动力学基本方程
• 3.3.2 建筑物动力学基本方程
• 3.3.3 土体-建筑物间的耦合分析
• 3.3.4 土体-结构动力学方程解析
• 3.4 接触问题的有限元解法
• 3.4.1 变形协调接触
• 3.4.2 弹性变形接触
• 3.4.3 非线性接触
• 3.5 算例
• 3.5.1 工程概况
• 3.5.2 接触模拟
• 3.5.3 参数取值
• 3.5.4 计算结果分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 列车-轨道-土层-接触面-建筑物系统分析模型
• 4.1 列车-轨道系统模型
• 4.1.1 车辆模型的建立
• 4.1.2 轨道模型的建立
• 4.1.3 轨道不平顺的考虑
• 4.1.4 轮轨接触关系
• 4.1.5 车辆-轨道系统模型参数
• 4.2 土层-接触面-建筑物系统模型
• 4.2.1 有限单元法简介
• 4.2.2 三维地基土模型建立
• 4.2.3 建筑物模型建立
• 4.2.4 系统模型接触面的处理
• 4.2.5 系统空间效应处理
• 4.2.6 边界条件
• 4.3 数值模型中若干问题研究
• 4.3.1 阻尼特性确定
• 4.3.2 时间积分步长
• 4.3.3 人工边界条件
• 4.4 本章小结
• 第5章 不同接触下列车引起建筑物振动响应特性分析
• 5.1 引言
• 5.2 模型计算说明
• 5.2.1 车-轨模型和土-接触面-建筑物模型的结合及其程序设计
• 5.2.2 模型计算参数选取
• 5.2.3 模型荷载的输入
• 5.3 不同接触条件下建筑物振动的各主要影响因素分析
• 5.3.1 轨道不平顺幅值的影响
• 5.3.2 地基土性质的影响
• 5.3.3 列车速度的影响
• 5.3.4 不同列车类型的影响
• 5.3.5 距建筑物距离的影响
• 5.3.6 建筑物高度的影响
• 5.3.7 建筑物类型的影响
• 5.4 不同接触条件下列车引起的建筑物振动预测模型建立
• 5.4.1 应用统计回归分析
• 5.4.2 建筑物振动与各因素影响规律
• 5.4.3 建筑物振动预测模型的建立
• 5.5 预测模型的试验验证
• 5.5.1 京广线石家庄附近某建筑物振动测试对预测模型验证
• 5.5.2 沈阳北站铁路附近建筑物振动测试对预测模型验证
• 5.5.3 结论
• 5.6 本章小结
• 第6章 列车引起建筑物振动的试验研究和数值分析
• 6.1 运行列车引起的建筑物振动现场试验研究
• 6.1.1 试验简介
• 6.1.2 楼板振动速度时程曲线及频谱分析
• 6.1.3 本底振动的影响分析
• 6.1.4 楼板振动速度随楼层的变化特性
• 6.1.5 振级随距轨道距离的变化
• 6.1.6 室内外振动对比
• 6.1.7 横向、竖向振动的对比
• 6.1.8 楼板中央和边角的振动对比
• 6.1.9 楼梯楼面和房间中央的振动对比
• 6.2 运行列车引起的建筑物振动的数值分析
• 6.2.1 数值分析模型
• 6.2.2 数值模型中参数的选取
• 6.2.3 模型分析结果
• 6.3 本章小结
• 第7章 运行列车引起建筑物振动的隔振研究
• 7.1 引言
• 7.2 多种隔振措施的隔振效果分析
• 7.2.1 轨道交通引起建筑物隔振分析模型
• 7.2.2 空沟隔振分析
• 7.2.3 隔振墙隔振分析
• 7.2.4 建筑物动力特性改变对振动影响分析
• 7.2.5 建筑物楼面二次隔振体系隔振分析
• 7.2.6 建筑物基础隔振分析
• 7.3 本章小结
• 第8章 结论与建议
• 8.1 本文主要研究内容和结论
• 8.1.1 对不同接触条件下列车引起的环境振动影响进行了研究
• 8.1.2 建立了不同接触条件下列车引起的环境振动计算模型
• 8.1.3 建立了不同接触条件下地面轨道交通引起建筑物振动预测公式
• 8.1.4 列车引起建筑物的振动试验验证及数值分析
• 8.1.5 运行列车引起建筑物振动的隔振研究
• 8.2 进一步研究的建议
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集