高速铁路高架桥引起环境振动的预测方法研究

本项目历时3年，在项目组成员的共同努力下，完成了原计划的研究目标和研究内容，取得了较好的研究成果。提出了高速铁路高架轨道交通引起环境振动的预测模型，为解决高速铁路对环境的振动影响，提高城市环境质量，降低振动水平，具有一定的理论意义和社会价值。 项目采用理论分析、数值模拟计算和现场测试调研相结合的方法，对高速列车-轨道-桥梁-桥墩-基础-周边地基土这一振动传播体系，主要完成了以下工作：（1）基于刚度矩阵法推导了不同地基土模型的地表面位移的Green函数；（2）基于2.5维TLM PML方法求解分层地基土的振动，为进一步的边界元理论提供适当的基本解；（3）列车－轨道－地基土相互作用理论分析模型；（4）基于ABAQUS建立了3维车辆—轨道—地基土动力相互作用模型，并对其进行了验证；（5）半空间地基上移动荷载产生的振动和马赫效应；（6）列车—轨道—梁桥半解析分析模型的建立及求解；（7）列车—轨道—桥梁—桥墩—地基土动力耦合系统的数值建模、分析和验证；（8）几种常用减隔振措施研究；（9）试验研究：地下隧道实验室的振动传递试验、北京地铁5号线高架桥段结构振动与噪声的现场测试、南京南站高速铁路火车站站场的振动测试，对轨道交通高架桥系统的预测模型进行了验证。 通过理论预测模型和试验结果的综合分析，研究了高速铁路高架桥轨道交通系统环境振动的特点及影响因素以及振动在高速列车－高架桥梁－地基土间的传递规律。研究结果表明：地基土的土质状况对振动的影响较大；地基土的阻尼比对地面点振动的影响是一个随距离不断累积的过程；列车在高架桥上运行时存在临界速度，该临界速度与列车－桥梁－桥墩－地基土体系的动力特性密切相关。分别选取空沟、单排桩、实体波阻块、蜂窝波阻块四种形式的屏障对地表各点振动的隔振效果进行比较。研究结果表明：空沟对25Hz以上的振动隔振效果较好，单排桩主要对20Hz左右的振动隔振效果较好，而波阻块对10到20Hz间的振动屏蔽效果较好，蜂窝波阻块对低频段（0-10Hz）的隔振具有显著的效果。 2100433B

结合我国高速铁路高架桥的实际工程，采用理论模型分析计算和现场测试相结合的方法，通过对高速列车－轨道-桥梁－桥墩-基础-周边地基土这一振动传播体系的分析，建立高速列车－轨道-桥梁－桥墩半解析－数值分析模型和桥墩-基础-周边地基土动力相互作用分析模型来预测我国高速铁路高架桥系统引起的环境振动，并选取适当的高速铁路高架桥段进行现场测试，验证预测模型的正确性。通过理论分析和试验结果研究高速铁路高架桥轨道交通系统环境振动的特点及影响因素、振动在高速列车－高架桥－地基土的传递规律、软土地基上高架桥高速铁路引起环境振动的特点、高速列车在高架桥上运行时是否存在临界速度以及车－桥－墩的共振对地基土振动响应的影响等，进而对减隔振措施提出合理化建议。该课题的研究将会为新线和既有线高速铁路高架轨道交通的环境振动提供预测和评价，为降低高速铁路高架桥地面振动及振动传播提供解决方法和途径，具有重要的社会意义和应用前景。

雷击是影响高速铁路安全运营的主要因素之一，高速铁路引雷特性的研究对铁路防雷措施的提出具有重要指导意义。高速铁路由于大面积采用高架桥结构，使得牵引网对地高度增加，引雷范围增大，比普速铁路遭受雷击概率大得多。高速铁路对安全性的要求又高于普速铁路，因此，专门针对高速铁路高架桥接触网系统进行引雷特性研究十分必要。. 本项目拟通过优化模拟电荷法研究雷电先导作用下的高架桥电荷分布；研究随着下行先导发展，高架桥及接触网周围感应电荷的动态变化，进而研究雷电通道任一点的场强动态变化。结合所计算的动态场强，计算该空间任一点处先导往临近点的发展概率，模拟先导通道的分形发展过程；研究雷电流幅值、雷电先导位置、高架桥参数等变化时雷击路径的变化，给出高架桥接触网系统引雷范围和落雷密度随相关因素的变化规律。

随着我国高速铁路的大规模建设，道岔不可避免地要设置在高架桥上，形成高架桥-无缝道岔结构体系。高速铁路桥上无缝道岔相互作用机理非常复杂，它不仅综合了桥上无缝线路、无缝道岔以及大跨度桥梁的技术特点，而且衍生出一系列与高速有关的技术难点，是高速铁路亟待解决的关键问题之一。目前国内外在该方面的研究很少，特别是在梁轨相互作用机理、力学特性变化规律、参数选用、桥上无缝道岔群相互作用机理、桥梁结构形式匹配、桥梁变形控制指标、支座布置方式、荷载组合原则、车辆-道岔-桥梁系统动力响应等方面的研究相当匮乏，对我国高架车站轨道的设计造成障碍。.本项目在充分调研国内外桥上无缝道岔研究成果的基础上，通过建立和完善既有理论分析模型，并结合室内和现场测试，揭示无缝道岔与高架桥的相互作用机理，形成具有自主知识产权的高速铁路桥上无缝道岔设计理论体系，指导我国高速铁路桥上无缝道岔的设计和应用，并弥补这一领域研究的不足。 2100433B