“桥建合一”型高架车站实测分析及结构减振优化

针对“桥建合一”型高架车站振动舒适度问题,以某一典型“桥建合一”型高架车站为研究对象,对列车运行引起的楼板振动进行现场实测分析,并基于车桥耦合分析理论,建立高架车站精细化有限元模型,从振源、传递路径和受振体对高架车站进行结构减振优化分析。研究表明:“桥建合一”型高架车站所受车致振动影响严重,站厅层振动敏感区为跨中楼板中心;通过提升轨道梁弹性模量、适度增加层高、在站厅层区域楼板中心布置次梁以及铺设浮筑楼板的方法均可减小楼板振动响应,但单独采取某一结构减振优化措施效果较差;同时采取以上4种结构减振优化组合措施时减振效果良好,减振后楼板中心的最大Z振级为73.15dB,减振量达13.54dB,满足振动舒适度要求。

半封闭式车站列车风压极值分布规律研究

为了研究半封闭式车站内风压极值的分布规律,对高速列车通过高铁站时引起的列车风压进行数值模拟,并通过现场实测数据验证数值模型的准确性。基于验证的数值模型,研究列车分别以250 km/h、300 km/h和350 km/h的速度通过高铁站时,两个典型区域(临近站台区Ⅰ、远离站台区Ⅱ)的风压(头波、尾波的正压和负压)极值分布规律,并提出相应的风压极值经验公式。研究结果表明:风压极值与列车速度之间呈非线性关系;相同的车速下,区域Ⅰ和区域Ⅱ内列车风压极值随着水平距离的增加呈指数函数形式衰减,而衰减的速度与高度成反比;当水平距离小于15 m时,相同高度下区域Ⅰ的头波正压极值总是比区域Ⅱ的大,而区域Ⅰ的头波负压极值的绝对值又总比区域Ⅱ的小;当水平距离超过15 m时,车站内的风压极值逐渐趋于稳定,并且区域Ⅰ内趋于稳定的风压极值要强于区域Ⅱ;所提经验公式能够较为准确地描述半封闭式高铁站内列车风压极值分布规律。研究成果可为半封闭式车站的结构设计提供参考。

地铁上盖物业振动舒适度分析

地铁车辆段内车辆穿行频繁,其上部建筑尤其是高层建筑在列车荷载激励下会产生较大振动,引起居住者的不舒适感。考虑楼板、填充墙、门窗洞口以及活荷载对振动的影响,建立某地铁车辆段大平台结构-上部建筑的精细化有限元模型,并分析计算中阻尼比的取值;不考虑土-结构相互作用,以实测列车入库时线路附近柱底的振动加速度作为输入,采用一致激励法计算上部结构的动力响应;基于ISO 10137和BS 6472-1中的评价方法用MATLAB编制相关计算程序对计算结果进行数据处理和舒适度评价;进而在不满足舒适度要求的情况下提出在道床下铺设弹性道砟胶垫和在柱下承台周围设置粗砂隔振沟的减振方法,并分析其减振效果。结果表明,采取减振措施后,上部建筑振动舒适度超标情况得到较好的控制。研究工作对类似工程的有限元建模、振动舒适度评价和减振设计具有重要的参考价值。

人群与交通振源下综合交通枢纽振动规律研究

以武汉站为例,结合现场实测和数值模拟,研究了综合交通枢纽结构在人群荷载与多重交通振源耦合作用下的振动特性,探究了候车层的最不利振源工况和振动敏感区,并进行了振动舒适度评价。结果表明:相比于单一荷载作用,人群荷载与其它交通振源耦合作用下候车层楼板峰值加速度明显增大;随着振源数目增加,候车层楼板的峰值加速度增大,振动加速度频域段拓宽,振动衰减速度放缓,但人群荷载参与耦合会加速振动的衰减;耦合振源的振动加速度主频越接近,峰值加速度放大越明显;候车层振动敏感区为楼板跨中位置,最不利振源工况为人群荷载与高铁、地铁以及路面交通荷载耦合的情况;候车层满足计权加速度下的振动舒适度要求,但其振动超过四次方振动剂量值限值。本研究对交通枢纽结构的运营和振动控制具有重要的工程意义。

高速移动荷载作用下的轨道-地基系统的动力响应

以高速列车运行时的轨道-地基系统为对象,将轨道-地基系统简化为半无限地基及成层地基上的Winkle梁模型,对高速移动荷载作用下梁-地基系统的协同工作进行了分析,得到了轨道与地表面的动力响应。

移动荷载引起的土变形计算

讨论了移动荷载作用下地基土的变形问题 ,推导了不同荷载形式下地基土的变形计算公式 ,并以矩形荷载为例 ,比较了轨道、荷载自振频率、荷载移动速度、地基土模型等不同因素对地基土变形的影响。该方法可用于轨道系统引起的环境振动评价。

基于模态测试的宽幅钢箱梁桥有限元模型建立、修正与分析

建立精确的宽幅钢箱梁桥有限元模型对此类结构的动力性能评估与结构设计有着重要的意义。建立了宽幅钢箱梁桥精细三维有限元模型,对宽幅钢箱梁桥不同施工阶段开展基于环境激励作用下的模态测试,采用随机子空间法与峰值拾取法识别桥梁的前十二阶模态,基于模态识别结果采用响应面法对桥梁有限元模型进行修正,详细分析了桥梁铺装层、邻跨等效质量对桥梁模态的影响。分析结果表明:建立的有限元模型具有较高的精度;铺装层会显著降低桥梁各阶自振频率,邻跨等效质量对桥梁的横向与扭转频率有显著的影响。

地铁车辆段上盖建筑车致振动试验

为了研究地铁车辆段上盖建筑车致振动机理,对杭州某地铁车辆段试车线上盖建筑的振动进行了试验研究。基于环境激励分析了上盖建筑楼板的动力特性,研究了不同车速下地铁车辆段上盖建筑的车致振动特性和传播规律,结合中国环境振动评价标准对建筑物室内的振动舒适度进行了评价。结果表明:上盖建筑楼板一阶频率在28~46 Hz之间,阻尼比为0.3%~1%;上盖建筑物的车致振动主要分布于0~140 Hz之间,10~25 Hz以内的低频振动表现为结构的整体振动,沿层高有放大的趋势,不同车速下楼板振动频率分布类似,都主要集中在楼板的自振频率附近;随列车加载车速的降低,地铁上盖建筑中的整体振动强度呈下降趋势,部分楼板的最大Z振级及分频振级均出现"反弹"现象;试车线列车以超过35 km·h-1的车速运行时上盖建筑中楼板的实测最大Z振级超过了标准限值,为保证试车线列车功能同时提高上盖建筑的振动舒适度,有必要在已有轨道减振的基础上对上盖建筑物进一步采取减振隔振措施。

地铁运行时引起的土的波动分析

基于有限元法分析了地铁运行引起的土的波动特性。对列车荷载进行了简化,并且考虑了地基土不同性质的影响,对各个区域采用了不同的材料参数,得到了地铁运行时的位移色度图及加速度衰减曲线。

基于自激励人体模型的人-结构竖向相互作用研究

基于自激励人体模型,建立了考虑人-结构竖向相互作用下行人过桥运动方程,提出了考虑步频主谐和亚谐分量的单人步行力模型,并通过单人过桥试验对该模型进行了验证;分析了人-桥竖向相互作用的变化规律及影响因素。结果表明,人体步频亚谐可能与结构的基频相近,从而引起较大的结构响应;结构固有频率和人/结构质量比对人-结构相互作用影响较大,当结构频率与步频及其主谐波分量频率接近时,耦合效应最显著,其对人体足底力影响最大。随着人/结构质量比的增加,人-结构相互作用逐渐增强。

轨道交通引起的周边建筑物振动研究

交通荷载引起的环境振动评价问题,国内外学者已进行了大量的研究,但主要集中在交通荷载所引起的地面振动问题上,对周边建筑物振动问题研究的较少。根据作者和其他研究者所获得的实测结果,完善了前人研究的不足之处,并对轨道交通引起的周边建筑物室内振动环境的评价方法提出了建议。讨论了房屋结构自振频率、楼层高度的变化对房屋结构各楼层振动的影响。通过有限元法分析轨道交通引起建筑物的振动并与实测结果进行对比,合理地解释了实测中观测到的一些现象,指出由于入射波与反射波的相互叠加,导致了高层建筑物的最大振动响应可能发生在建筑物的某一中间层(与结构形式有关),并且在建筑物前,由于反射波的影响,地面振动存在着一个放大区域。

地铁车辆段上盖物业车致振动分析

为研究地铁列车进出车辆段对上盖物业振动的影响,先结合两个实际工程,对武汉某车辆段和宁波某车辆段内运用库列车振动荷载进行现场实测,并对两车辆段内运用库列车振动荷载进行对比分析,探讨车辆段内运用库列车振动荷载特性。然后改善了基于弱振情况下结构精细化有限元模型构建方法和荷载输入方法,并基于实测数据验证了其合理性。最后建立了武汉某车辆段上盖物业精细化有限元模型,计算分析上盖物业的振动响应。计算结果表明:地铁列车进出车辆段引起上盖建筑物的振动高频成分较丰富,其主频率在40 Hz附近,列车振动荷载特性决定了建筑物内振动的频域分布;建筑内楼板跨中各方向振级沿高度方向的变化是不同的,铅垂向Z振级沿楼层的上升呈现先减小后增大的特点,而在水平方向振级总体上呈现随楼层增大而增大的特点。该研究成果可为精确预测、分析和评价地铁车辆段上盖物业振动舒适度提供基础。

单人步行荷载模型研究

对于大跨轻柔结构,人-结构竖向相互作用较为显著,要准确预测结构人致响应,需建立更加精细的单人步行荷载模型。在单自由度弹簧、质量和阻尼(SMD)模型中,引进包含亚谐分量的内部自激励,建立了更加精细的ASMD模型Ⅱ,并对其进行了实验验证。结果表明:当结构自振频率处于亚谐共振区时,需考虑亚谐分量的影响,其影响随人/结构质量比的增加更显著,忽略亚谐分量会导致计算结果偏小;处于倍频共振区时,不考虑人-结构相互作用的共振响应预测结果偏于保守;相比之下,ASMD模型Ⅱ能更好的预测结构人致竖向动力响应。

重物-桥吊耦合系统振动分析

考虑吊重的摆动,将重物-桥吊耦合系统简化为移动质量+吊重在简支梁上运动模型,基于Lagrange方程,推导了移动质量+吊重-简支梁耦合系统运动微分方程。采用Runge-Kutta积分法对微分方程组进行数值求解,分析了移动质量加速度、吊重质量所占比重、吊绳长度等因素对梁体振动响应的影响。数值计算结果表明:对于重物-桥吊耦合系统,若不考虑吊重摆动,采用移动质量过桥模型将会低估梁体振动响应,并且在移动质量与吊重质量之和一定的情况下,吊重质量所占比重越大,梁体的振动响应越大;移动质量加速度对梁体的振动影响不能忽略,尤其是对梁体的加速度响应影响很大。

线弹性范围内钢悬臂梁的阻尼特性试验研究

采用材质相对均匀、结构较为简单的钢悬臂梁为试验对象,通过自由振动试验,研究了阻尼比的变化规律。设计制作了4根相同的矩形截面钢悬臂梁,根据国家标准规定的试验方法对材料力学性能进行了测试,得到了弹性模量和拉压强度。采用自由衰减法对钢悬臂梁进行不同初始振动幅度下的自由振动测试,识别不同振动幅度时悬臂梁的阻尼比。研究结构构件在自由振动下阻尼比的变化规律,分析线弹性范围内阻尼比与振动幅度的关系,得出以下结论:线弹性范围内,悬臂梁自由振动的阻尼比随其振动幅度的增加而增大,为结构在小幅度振动下的动力分析提供了参考依据。

高速移动荷载作用下轨道系统的振动研究

本文基于格林函数法 ,对移动荷载作用下的轨道系统的振动进行了研究 ,与文克尔梁模型进行了对比 ,这一方法可推广到高架桥的计算中 ,所得到的结论具有应用价值。

武汉站轨道箱型梁车致振动响应研究

以建桥结合武广客运专线武汉站为工程背景,针对车致振动可能引起的舒适度问题进行前期列车进出站引起的轨道箱型梁振动响应研究。建立轨道梁结构的有限元分析模型和基于舒适度研究的车致振动分析方法,通过数值研究考察轨道梁的振动状况。进一步地通过环境振动和车致振动实测获取结构关键部位的振动响应,并与理论分析结果进行对比研究。结果表明,前期建立的分析模型正确,计算分析方法可靠,可以有效地反映结构的车致振动响应,为后续上部结构振动舒适度评价奠定基础。相关分析方法可为今后同类建桥结合大型车站结构桥梁部分的振动分析所采用。

地铁车辆段新型隔振支座的减振效果研究

针对地铁车辆段上盖物业存在的振动舒适度问题以及缺乏相应有效减振措施的现状,开发了一种新型隔振支座来减小竖向列车振动。介绍了支座的结构构造及特点,在理论上提出设计方法;以某地铁车辆段工程为背景,通过数值模拟,对比分析了上部结构在隔振前后的动力响应,并对支座的减振效果进行评价。结果表明:隔振后,上部结构除在竖向一阶自振频率5.44 Hz和楼板局部模态频率16 Hz附近出现振动放大现象外,在其他频段的振动均得到明显降低,且隔振结构的各层Z振级均小于原结构,最大差值达12.1 dB;隔振支座对10 Hz以上频段的减振效果显著,其1/3倍频程振级的插入损失达20 dB,Z振级的减小量可达10 dB。

城市高架桥半封闭式声屏障的车致振动试验研究

为研究地铁列车低速通过时高架桥上半封闭式声屏障的振动响应及传播规律,对某城市轨道交通高架桥上的半封闭式声屏障进行了试验研究。基于实测数据,分析了高架桥和声屏障的动力特性、地铁列车过桥时的激励特性以及半封闭式声屏障的振动响应特征,并讨论了列车速度对高架桥上半封闭式声屏障车致振动的影响。结果表明:地铁列车低速过桥时具有“移动轴重激励”的荷载特性;声屏障的振动相对于桥面轨道板有显著的放大效应,其立柱顶端的各向加速度响应相当,但纵向振动稍大,其亚克力板的横向振动相对于其立柱的也明显增大;此外,地铁列车在正常运营情况下,不同车速对高架桥和声屏障的振动加速度级影响一般在5 dB以内,且主要表现为列车轴距加载频率处振动分量幅值的变化。

移动荷载下Winkler梁稳态动力响应分析

运用傅立叶变换和留数理论得到了变速移动荷载下无限长Winkler梁稳态动力响应的解析表达式。与Kenney的经典解求解过程相比,文中给出的求解过程具有更加明确的物理意义。进一步探讨了阻尼在求解过程中的作用,并指出了经典解在处理阻尼时存在的问题。