地震和高铁共同作用下桩网复合地基振动特性

为研究地震和高铁列车荷载共同作用下桩网复合地基振动特性,通过建立轨道-路堤-桩网复合地基三维有限元计算模型,分别与实测数据和一维波动理论对比验证模型的正确性。通过对比不同荷载工况下地面位移和加速度时频振动曲线,分析地震和高铁两动载共同作用时不同车速下桩网复合地基时频振动特性,研究桩体模量对桩网复合地基减震效果的影响。研究表明,Hollister地震荷载和高铁荷载共同作用下,距轨道中心1 m处地面振动位移由地震荷载主导,地面振动加速度由列车荷载主导;20 Hz以下地面低频振动由高铁和地震荷载共同控制,地面高频振动主要由列车荷载控制。Lytle Creek地震荷载和高铁荷载共同作用下,桩网复合地基地面振动位移和加速度峰值均大于高铁荷载单独作用下的值;增加桩体模量对高铁荷载单独作用和两动载共同作用下桩网复合地基地面振动均有减振效果,但两动载共同作用下增加桩体模量对地面减振效果比高铁荷载单独作用下弱。

地震-高铁荷载共同作用下桩网复合路基震动特性

为研究地震和高铁荷载共同作用下桩网复合路基震动特性,建立地震和高铁荷载共同作用下轨道-路堤-桩网复合路基震动的三维有限元分析模型,研究地震荷载类型和列车车速对桩网复合路基震动加速度和位移的影响规律,提出不同地震荷载下的列车运行建议。研究表明,Hollister地震与高铁荷载共同作用下,桩网复合路基地面震动加速度由两动载共同控制,震动位移主要由地震荷载控制,列车运行状态对地震动位移影响很小;Chi-Chi地震与高铁荷载共同作用下,地震动加速度主要由高铁荷载控制,地震动位移受地震荷载和列车荷载共同影响,地震发生时可先通过降低车速后停运列车有效减小地震动位移;Lytle Creek地震与高铁荷载共同作用下,地震动加速度主要由高铁荷载控制,地面震动位移受地震和列车荷载共同影响,且主要由列车荷载控制,地震发生时可通过降低列车车速有效减小地震动位移,以降低地震发生时列车脱轨的可能性。

高铁荷载下路堤和路堑段地面振动特性现场测试与数值分析

对巴黎-布鲁塞尔高速铁路地面振动开展现场测试,对比分析了高铁运行引起的路堤和路堑段地面振动特性以及传播衰减规律。基于2.5维有限元法基本原理,推导并建立了高铁荷载下路堤和路堑段2.5维有限元动力计算模型,详细讨论了路堤和路堑设计参数对地面振动特性的影响。结果表明:距轨道较近处的地面振动幅值主要受列车轴重影响,而距轨道较远处则由中间车相邻转向架轮对的叠加效应主导。高铁运行引起的路堤和路堑段地面振动随与轨道距离增加而减小,中高频成分振动的衰减速率显著大于其他频段。路堤和路堑段地面振动1阶主频主要由列车荷载的基频f_1主导,随车速提高逐渐向高频方向移动。路堤和路堑对地面振动的衰减规律有重要影响,路堤段地面振动随与轨道间距的衰减过程可分为两个阶段,而路堑段地面振动衰减过程则可分为三个阶段,且振动在堑顶处有较为明显的局部放大现象。当与路堤段轨道间距≥19.0 m(路堑段≥23.0 m)后,地面振动Z振级VL_Z均小于80.0 dB。同时,高铁荷载下地面振动随路堤高度或路堑深度的增加而减小,当超过某一限值时,继续增加路堤高度或路堑深度难以有效减小地面振动。路堤段地面振动随路堤弹性模量的增大而减小。此外,在确保稳定性的前提下,较陡的路堑边坡更有利于减小高铁运行引起的地面振动。

高铁桩网复合路基环境振动影响因素分析

为了研究高速列车动荷载引起的桩网复合路基环境振动的影响因素,运用ABAQUS有限元软件,建立了包含垫层、桩帽、桩体的轨道-路堤-桩网复合地基三维有限元模型。首先以京沪高铁苏州站东侧某段桩网复合路基为背景建立模型,将模拟结果与实测结果对比,验证了该数值模型方法的可靠性。在此基础上,分析了车速、路堤高度及土体阻尼比对高铁复合路基地面环境振动的影响。研究表明,近轨道中心处,车速与路基土体的共振条件决定地面振动大小;距轨道中心远处,地面振动主要由车速决定;路堤高度越高,复合路基中加固范围越大,对列车动荷载引起的地面振动减小越大,原因是垫层和桩体将振动波向路基深部传播;土体的材料阻尼比决定路基远处地面振动,材料阻尼越大,地面振动随距离衰减越快,因此预测路基远处地面振动需要合理的获取确定土体的阻尼比。

地铁环境振动对拟建住宅办公楼影响实测分析

为评价地铁环境振动对上海中心城区某拟建住宅办公楼的影响,在建筑场地关键位置布置测点,实测周围交通环境因素引起的地面振动响应。选择代表性测试数据进行时程、频谱、1/3倍频程频谱和计权加速度级分析,研究不同时段地铁列车运行引起的地面环境振动特性,并根据国内外标准评价地铁环境振动对拟建住宅办公楼的影响。研究结果表明,场地背景振动无明显峰值,振动加速度幅值较小,介于1 gal^2 gal之间,振动主频小于10 Hz,其中1 Hz^2 Hz为地脉动频率;有地铁运行时,三个时段地面振动加速度峰值呈现出周期性变化,振动峰值明显提高,晚高峰时段振动峰值达到最大值17.8 gal,地铁列车运行引起地面振动的主导频率介于42 Hz^68 Hz之间。该建筑场地12 Hz^42 Hz频段范围内的主频缺失,如上部结构自振频率在此范围内可显著减小地面环境振动对拟建建筑物的影响。各测点最大速度有效值为22.03μm/s,水平和竖向最大计权加速度级分别为53.37 dB和63.38 dB,满足国际标准ISO 2631、我国《城市区域环境振动标准》和《建筑工程容许振动标准》关于此类建筑场地的振动控制要求。

2.5维有限元分析高铁荷载诱发非饱和土地面振动

开发一种非饱和地基2.5维有限单元方法研究高速列车荷载引起的地面振动.对时间进行Fourier变换并沿轨道方向进行波数变换将三维空间问题降为二维平面问题,结合边界条件和Galerkin法推导控制方程2.5维有限元格式.轨道结构视为非饱和地基上的Euler梁,所得频域-波数域内解答通过快速Fourier逆变换得到三维时域-空间域内结果.分析了车速和路基液体饱和度对地面振动及超静孔隙水压力的影响.结果表明,路基从完全饱和转为近饱和状态轨道中心处地面振动位移幅值变化显著;非饱和路基地面振动位移随时间衰减更快.距轨道中心8m远处,同一速度下饱和路基路面振动持时大于非饱和路基;车速提高非饱和土振动持续时间变短,而饱和土地面振动持时变长.近轨道处200km·h^-1下地面振动位移幅值大于其他速度且均以相当速率快速衰减;地面振动加速度级在某些车速下的衰减会出现反弹增大现象,其位置与车速密切相关.轨道中心处超静孔隙水压力主要分布在地表下4.5m内,最大幅值出现在1.5~2.0m深,且随路基饱和度降低显著减小.

2.5D有限元分析列车荷载引起非饱和土地面振动

为研究高速列车荷载引起非饱和土地面振动,将地基视为三相介质,开发非饱和地基2.5维有限单元方法.用Euler梁模型模拟轨道系统,对控制方程进行时间Fourier变换和轨道方向波数变换,结合边界条件和Galerkin法推导出频域内2.5维有限元方程,频域-波数域内解答通过快速Fourier逆变换得到时域-空间域结果,通过数值分析考察车速和路基饱和度对地面振动及超静孔隙水压力影响.结果表明:车速较低时,路基从近饱和到完全饱和轨道中心处地面竖向振动位移幅值显著增加;同一速度下非饱和路面加速度幅值大于饱和路面,其地面振动位移和加速度随时间更快衰减.同一车速下距轨道中心8 m处非饱和路基地面振动加速度峰值远大于饱和路基,车速超过300 km/h后两者地面振动位移幅值趋于相等.近轨道处地面振动幅值快速衰减,远轨道处衰减变慢.轨道中心下超静孔隙水压力分布深度为地表下0～4.5 m,最大峰值约在1.8 m,且随路基饱和度降低显著减少.

薄板弯曲问题边界元法分析中预条件GMRES算法

为探讨预条件GMRES算法在求解弹性力学问题边界元法方程时的数值特性,以不同约束条件的薄板弯曲问题边界元分析为例,讨论了Jacobi、块Jacobi和对称Gauss-Sediel迭代作为预条件的三种预条件形式对GMRES收敛性的影响,并分析了其与约束条件的关系。分析表明:右块Jacobi和Jacobi预条件对该问题加速收敛效果更好,且对同类边界条件简支比固支收敛快,这与边界元法系数矩阵计算中的刚体位移原理有关。并且随问题规模的增大,预条件的GMRES算法效率比Gauss消去优势更明显;当问题自由度接近1万时,后者计算时间为前者的60倍。

高铁弹塑性地基振动与变形的2.5维有限元算法

针对高铁运行引起的地基振动和塑性变形问题,提出高铁荷载作用下弹塑性地基振动与变形的2.5维有限元算法。将高铁运行诱发的地基变形视为材料非线性问题,采用改进的摩尔-库伦模型模拟地基土,基于弹性地基2.5维有限元法,将通过弹性理论计算得到的位移作为试探位移,经摩尔-库伦屈服准则判定屈服后,引入切线刚度迭代法、后向欧拉积分算法和一致切线模量算法实现刚度矩阵的更新迭代,从而求解出高铁运行引起的塑性变形。在此基础上,将轨道视为Eular梁,采用修正的多频列车荷载模拟高铁列车运行,并使用黏弹性人工边界处理截断边界,建立高铁弹塑性地基振动与变形的2.5维有限元验证模型。通过与移动点荷载弹性半空间解析解和地面振动实测结果进行对比,验证本文弹塑性地基2.5维有限元法理论的正确性及模型应用的可靠性,表明该方法可用于高效求解高铁运行引起的地面振动及累积变形问题。

地铁环境振动对建筑场地影响实测分析

为评价地铁环境振动对某中心城区拟建住宅办公楼的影响,本文使用高灵敏度测试仪TROMINO对该建筑场地进行了24 h环境振动测试,得到了场地3个方向加速度和速度的实测数据。采用1/3倍频程分析法对实测数据进行处理,分析了不同时段场地振动变化规律,并将分析结果与国际标准ISO 2631关于此类建筑场地的振动限值进行对比。结果表明:有地铁运行时的环境振动峰值远大于无地铁运行时;无地铁运行时,地面振动加速度幅值介于10^-5~10^-1gal之间,且无明显振动主频;有地铁运行时,振动幅值介于10^-4~10^0gal之间,并在晚高峰时段达到最大值0. 8 gal;地铁运行引起的地面振动主频介于40~50 Hz之间。低频段内(2~8 Hz)场地振动加速度最大值约为0. 030 gal,中高频段内(8~250 Hz)场地振动速度最大值为26. 715μm·s^-1,均满足标准要求。

2.5D有限元分析高铁荷载诱发非饱和土地面振动

利用2.5维有限单元方法研究高速列车荷载引起的非饱和路基地面振动。视轨道结构为非饱和地基上的Euler梁。对控制方程进行时间Fourier变换和轨道方向波数变换,结合边界条件和Galerkin法推导出频域内2.5维有限元方程,将空间三维问题化为平面上的两维问题。分析了车速和路基饱和度对地面振动及超静孔隙水压力的影响。结果表明,同一车速下,非饱和路基地面振动加速度幅值大于饱和路基。随车速增大,饱和路基地面加速度幅值减小,非饱和路基则先剧烈减小后稍有增大。饱和路基地面振动加速度主频率随车速增大几乎不变小(均为2.2 Hz),而对非饱和路基则是先减小后增大。地面振动加速度在低速时随距轨道中心距离快速衰减,高速时衰减很慢。地面振动加速度可能会出现反弹增大现象,其出现及位置与车速密切相关。同一车速下路基超静孔隙水压力峰值随路基饱和度下降急剧减小,超静孔隙水压力分布深度在0~4.5 m,幅值约在1.8 m深度。

饱和砂土液化判别与放大效应数值模拟研究

为研究地震作用下饱和砂土液化判别及地震放大效应的影响因素,采用边界面塑性模型框架内开发的砂土本构模型,基于开源有限元平台OpenSees建立了一维剪切梁土柱模型。以循环应力比CSR和循环抗力比CRR为控制指标,对比了不同液化判别方法的差异,分析了地震荷载类型和砂土相对密度对液化判别和放大效应的影响。研究表明:与数值模拟结果相比,Seed简化法计算的CSR更大,判断饱和砂土场地发生液化的可能性更高;冲击型地震波较振动型地震波更容易使饱和砂土场地发生液化,砂土相对密度越小场地越容易发生液化;放大系数随埋深的减小而增大,振动型地震波引起的放大效应整体大于冲击型,埋深较大时放大系数随砂土相对密度的增大而减小。

精密仪器厂房微振动实测与数值模拟分析

为探究精密仪器厂房防微振结构设计方法,本文分别通过现场实测和数值模拟方法对苏州某高科技电子工业厂区一单层轻钢结构厂房微振动水平进行了评价和分析。对该厂区进行场地环境振动实测,对比了厂房建成前后地坪振动特性;利用ANSYS软件建立了厂房有限元模型,分析了Rayleigh阻尼和底板厚度对厂房振动特性的影响。研究结果表明:厂房建成后底板振动满足振动限值要求;厂房的桩筏基础有明显的减振效果,但对不同方向和频段地面的振动影响有所差异;阻尼比和底板厚度对结构主频影响较小,而对振幅影响较大,阻尼比在1~3 Hz和10~50 Hz的频段内对振幅影响较大,底板厚度在50 Hz以下对振幅影响较大。因此,在厂房防微振设计时,适当增加底板厚度和阻尼可减小中低频振动,从而达到较好的减振效果。

电子工业厂房微振动测试与分析

电子工业厂房对振动要求十分严格,为研究合肥某电子工业厂房主体结构完工后的微振动特性,利用意大利进口仪器TROMINO进行测试,并采用国际通用的1/3倍频程分析法对各测点速度、加速度时程数据进行处理,对比分析自由场地及厂房主体结构的微振动响应特性。分析结果表明该电子工业厂房内各测点微振动均满足VC-B标准;相较于自由场地的测试结果,该厂房一层刚性地坪水平方向上2 Hz^8 Hz频段的振动有所降低,但厂区内的车辆运行使8 Hz^250 Hz频段的振动显著增加;厂房二层各测点的振动均大于一层地坪,特别是8 Hz^250 Hz频段的振动幅值显著增加,且在80 Hz^90 Hz频段出现振动放大现象;此外,厂房二层人员走动对微振动响应有显著影响。研究结果对该工程及同行业相关建筑的防微振设计具有重要的理论及工程实践价值。

脉冲地震动中竖向加速度对场地液化的影响

为研究近断层脉冲地震动中竖向加速度对砂土场地液化的影响,基于有限元平台Open Sees开发的边界面塑性本构模型,建立了动单剪单元试验模型和饱和砂土三维有限元模型。选取台湾Chi-Chi地震中10条具有速度脉冲特性的地震波,对比分析了水平双向脉冲波与三向脉冲波作用下土柱竖向位移、循环应力比、孔压比及等效循环周数的差异性,继而明确了脉冲地震动中竖向加速度对砂土液化的影响规律。研究表明,三向脉冲地震波中竖向加速度分量对场地永久位移值影响较小,但使永久位移的发展持时明显增大;土柱循环应力比受竖向地震动影响较小,因此分析脉冲地震动对场地剪切特性的影响时,可将三向脉冲地震动简化为水平双向地震动;考虑竖向地震动的三向脉冲地震波引起的孔压比变化幅度较大,孔压消散时间较长;三向脉冲地震波对应的等效循环周数较大,地震动发展持时长,可认为竖向加速度对场地液化有促进作用。

高铁荷载下准饱和分层地基环境振动特性研究

本文基于Biot理论,首次提出更符合软土地区的列车-轨道-准饱和地基的2.5维有限元理论。在验证本文程序的可靠性后,计算分析高铁荷载作用下车速对准饱和分层地基环境振动的位移、孔隙水压力和衰减规律的影响,对比准饱和与饱和地基的振动差异性。结果表明:当车速小于表层土体瑞利波速时,准饱和地基的环境振动位移时程曲线在轨道中心和远离轨道处均能观察到明显的列车轮轨分布,衰减曲线平滑,衰减较快;当车速大于表层土瑞利波速时,远离轨道的位移时程曲线变的模糊,衰减曲线具有波动性,衰减速率减缓。地表以下0.5 m处超孔孔隙水压力最大,车速250 km/h^350 km/h时超孔隙水压力随深度的衰减规律相似,当车速进一步提高到400 km/h时超孔压衰减曲线不再光滑,有较多折点。准饱和地基振动的竖向位移峰值大于饱和地基,而超孔隙压则相反。

考虑地震动特性的饱和砂土震陷计算方法

为探究地震动特性对砂土震陷的影响,提出合理的震陷评价方法,本文利用开源有限元平台Open Sees对饱和砂土自由场地震陷进行数值模拟,研究了地震动维度和方向角对砂土震陷的影响,以震陷比为评价指标,分析了水平单向荷载简化二维荷载的合理性,并对震陷和震陷比与地震动强度参数进行相关性研究,提出了考虑地震动特性的饱和砂土震陷计算方法。结果表明:饱和砂土在地震动水平双向荷载作用下的孔压和震陷均大于单向加载结果,但小于两个单向荷载分别施加产生的结果之和,也小于任一单向加载下结果的2倍;地震动方向对震陷比影响显著,且不同地震动得到的最大震陷比对应的方向角存在差异,表明采用某一确定方向的一维荷载简化分析二维荷载的方法并不合理;震陷量与地震动强度参数Sa(0.6 s)和VSI相关性较好,以VSI为参数提出的预估公式可快速计算震陷量;砂土相对密度越大,计算结果越准确。

高速铁路CFG桩-土复合地基减振性能研究

为系统研究高铁运行引起的CFG桩-土复合地基环境振动特性及其自身减振性能,首先基于2.5维有限元计算理论,利用等代桩墙对CFG桩-土复合地基进行等效,建立轨道-路堤-CFG桩-土复合地基系统的2.5维有限元模型;其次,与高速铁路环境振动既有实测研究成果进行对比,验证所建模型的正确性;最后,考虑高速列车的不同运行速度,以竖向振动加速度为评价指标,分析桩径、桩间距和桩体刚度对CFG桩-土复合地基减振性能的影响。研究结果表明:相较于无桩地基,CFG桩-土复合地基对高速列车运行引起的地面环境振动具有良好的减振效果,距轨道较远处减振效果优于轨道近处减振效果;距轨道较近处,CFG桩-土复合地基的减振效果由列车运行速度和共振条件共同主导;增大桩径d、增大桩体刚度或减小桩间距s均能提高CFG桩-土复合地基的减振效果。然而,当桩径d≥1/4s或桩间距s≤4d或桩土刚度比R_(PS)≥138.9时,继续改变CFG桩设计参数将难以进一步显著提高减振效果。CFG桩-土复合地基可提高地基的临界速度,当车速接近该临界速度时减振效果较差。

2.5维有限元分析高铁荷载下准饱和横观各向同性地基振动特性

为分析高铁荷载下准饱和横观各向同性地基振动特性,推导了准饱和横观各向同性地基2.5维有限元控制方程,建立了列车-轨道-准饱和横观各向同性地基2.5维有限元模型,对比研究了不同车速下饱和与准饱和横观各向同性地基的振动特性,分析了准饱和横观各向同性地基土体参数对振动特性的影响。研究结果表明,准饱和横观各向同性地基表面产生的向上和向下位移均大于饱和地基。不同车速下准饱和地基振动位移均大于饱和地基,但超静孔压远小于饱和地基;车速越高,饱和与准饱和地基表面振动位移越大而衰减越慢,超静孔压越大且衰减越快,轨道中心处准饱和与饱和地基位移相差越大。准饱和地基竖向振动位移和超静孔压随水平弹性模量和垂直弹性模量的增加而减小,随水平泊松比增加而增大,随垂直泊松比增加而减小,随垂直剪切模量增加而减小。垂直弹性模量较水平弹性模量对地面竖向振动位移影响更大。与水平泊松比相比,垂直泊松比对准饱和横观各向同性地基竖向振动位移峰值和超静孔压影响更大。

车辆荷载作用下桩承式加筋路基的动力特性分析

以车辆荷载作用下桩承式加筋路基为研究对象,引入黏弹性人工边界,建立了三维车辆-路基整体有限元分析模型,分析了车辆动荷载作用下桩承式加筋路基的动力响应特性。结果表明:加筋体的存在可有效减小车辆荷载作用下路基的动力响应,随加筋体层数及其弹性模量的增加,路基的动力响应减小更为显著;随着车辆荷载频率的增加,路基路面沉降及内部应力增大;路基竖向位移随桩间距的增加而增加,桩的模量对路基的动力响应也有一定的影响。