城市軌道交通地面振動(dòng)源的頻域反演.pdf

1、鑒于城市軌道交通是解決大城市交通擁堵的有效途徑之一,而所引發(fā)的噪聲和振動(dòng)等環(huán)境問(wèn)題影響了它的快速發(fā)展,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者十分關(guān)注振動(dòng)源和振動(dòng)傳播的研究,近十幾年重點(diǎn)發(fā)展列車-軌道-場(chǎng)地大系統(tǒng)的三維計(jì)算。一個(gè)難以逾越的困難是計(jì)算模型龐大、受計(jì)算機(jī)資源限制網(wǎng)格尺寸不得不取幾十至幾米,使得時(shí)域解的最高頻率只能達(dá)到十幾赫茲,與城市軌道交通環(huán)境振動(dòng)的主要頻段相差較大。從三維的觀點(diǎn)分析,靠近軌道的任何地點(diǎn)觀測(cè)到的振動(dòng)都不僅僅包括距離這一點(diǎn)最近的軌道段的

2、振動(dòng),還會(huì)包括以前和以后許許多多段振動(dòng)的影響,使振源的研究相當(dāng)困難。
　　為了更好地對(duì)發(fā)展城市軌道交通提供合適的環(huán)境振動(dòng)理論分析支撐,作為國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“城市軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)及傳播規(guī)律”的一個(gè)重要部分,本文發(fā)展了城軌交通場(chǎng)地振動(dòng)的三維頻域計(jì)算方法,在根據(jù)地表觀測(cè)數(shù)據(jù)反演動(dòng)力激勵(lì)源函數(shù)創(chuàng)新思路指導(dǎo)下,實(shí)現(xiàn)了輪-軌不平順譜密度函數(shù)的成功反演。
　　首先,從構(gòu)建合理的列車、軌道、場(chǎng)地動(dòng)力分析模型入手,幾何上強(qiáng)調(diào)軌道

3、一維無(wú)限性和分層場(chǎng)地的半空間無(wú)限性,物理上強(qiáng)調(diào)波動(dòng)的三維傳播,突出運(yùn)行中的列車與靜止中的軌道、場(chǎng)地三者的動(dòng)力相互作用。將場(chǎng)地簡(jiǎn)化為層狀的阻尼彈性半空間,在三維直角坐標(biāo)系下詳細(xì)推導(dǎo)了頻率-波數(shù)域格林函數(shù),獲得了無(wú)限長(zhǎng)諧波線荷載激勵(lì)下軌道-場(chǎng)地系統(tǒng)的解答,通過(guò)對(duì)諧波線荷載在頻域的積分得到移動(dòng)坐標(biāo)系下鋼軌頂面的傳遞函數(shù)矩陣,求解了諧波不平順條件下列車-軌道-場(chǎng)地體系的動(dòng)力相互作用問(wèn)題,進(jìn)而獲得輪軌隨機(jī)不平順激勵(lì)的場(chǎng)地振動(dòng)響應(yīng)。數(shù)值計(jì)算了諧波不

4、平順激勵(lì)下的地表振動(dòng),空間波形顯示:移動(dòng)軸重引起隨列車移動(dòng)的地表下沉變形迅速單調(diào)衰減,表現(xiàn)了準(zhǔn)靜態(tài)變形特征;取不平順波數(shù)不為零,前后車輪激發(fā)的波動(dòng)相互干涉,表達(dá)出了列車移動(dòng)的Doppler效應(yīng);地表振動(dòng)頻譜顯示:單一頻率不平順激勵(lì)產(chǎn)生的地表振動(dòng)頻率成分并非單一,反映了移動(dòng)荷載激勵(lì)的特征;不平順激勵(lì)頻率越高,地表振動(dòng)頻率越高且?guī)捲酱?計(jì)算的輪-軌隨機(jī)不平順激勵(lì)產(chǎn)生的地表振動(dòng)頻率范圍為5Hz～85Hz,主要成分集中于40Hz～60Hz之間

5、,與已有的城軌交通環(huán)境振動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的頻率范圍基本符合。
　　將上述地表振動(dòng)的列車-軌道-三維場(chǎng)地耦合動(dòng)力分析與遺傳算法結(jié)合,設(shè)計(jì)了輪-軌不平順振源函數(shù)和道砟路基剛度等軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)的聯(lián)合反演方案。采用虛擬反演方法檢驗(yàn)了反演算法在解空間的穩(wěn)定性。依據(jù)北京城軌13號(hào)線的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)反演了振動(dòng)源函數(shù),據(jù)其計(jì)算的地表振動(dòng)級(jí)與實(shí)測(cè)值很接近。反演得到的激勵(lì)功率譜,在1.2m以上的波長(zhǎng)范圍低于美國(guó)FRA的6級(jí)譜,表明北京城軌的平順程度好于美國(guó)最好

6、的干線軌道的平順程度;在1.2m以下的波長(zhǎng)范圍高于FRA的6級(jí)軌道譜,并不是軌道不平順引起的,應(yīng)該是車輪的不圓順產(chǎn)生的,包括車輪扁疤、輪軸偏心、踏面幾何不圓等車輪幾何與彈性不圓順。城軌車速較低,這個(gè)短波長(zhǎng)段恰恰對(duì)應(yīng)城軌交通環(huán)境振動(dòng)的主要頻帶。國(guó)內(nèi)外以軌道譜表達(dá)軌道交通環(huán)境振動(dòng)源,1.2m以下短波長(zhǎng)的激勵(lì)會(huì)被低估,會(huì)嚴(yán)重影響環(huán)境振動(dòng)主要頻段的地表振動(dòng)的估計(jì)。以輪-軌不平順功率譜密度函數(shù)(簡(jiǎn)稱輪-軌譜)表達(dá)軌道交通環(huán)境振動(dòng)源就會(huì)大有改善。相

7、對(duì)軌道譜只反映軌道的平順狀況,輪-軌譜表達(dá)的是輪軌不平順接觸,既反映軌道不平順因素,又包含車輪不圓順狀況。用地表振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演輪-軌不平順狀態(tài),是綜合獲取兩類激勵(lì)因素的一個(gè)有效途徑,已有的其他方法是難以實(shí)現(xiàn)的。
　　為了適應(yīng)沿海、沿江地區(qū)地下水埋藏較淺場(chǎng)地的復(fù)雜工況,利用積分變換的手段求解三維直角坐標(biāo)系下Biot方程,采用Haskell-Thomson傳遞矩陣方法獲得了飽和層狀半空間頻率-波數(shù)域的豎向位移格林函數(shù)。據(jù)此計(jì)算了單位

8、簡(jiǎn)諧點(diǎn)源激勵(lì)產(chǎn)生的地表位移,結(jié)果顯示出隨著孔隙率的增加,計(jì)算的地表豎向位移幅值減小、衰減速率增加;頻率越高,孔隙率的影響越明顯。場(chǎng)地滲透系數(shù)越低,計(jì)算的地表位移幅值越小,衰減越快;頻率越高,影響越明顯。計(jì)算結(jié)果反映了流固兩相粘滯耦合效應(yīng)。通過(guò)與單相介質(zhì)模型計(jì)算的結(jié)果相比較,說(shuō)明了采用單相介質(zhì)模型計(jì)算飽和場(chǎng)地上城市軌道交通環(huán)境振動(dòng)有可能導(dǎo)致高估,激勵(lì)頻率越高,高估越嚴(yán)重。
　　將飽和層狀場(chǎng)地格林函數(shù)應(yīng)用于列車-軌道-三維場(chǎng)地耦合動(dòng)力

9、分析,模擬了飽和場(chǎng)地軌道交通環(huán)境振動(dòng)。結(jié)果顯示,相對(duì)于飽和軟土,剪切模量高的飽和密砂場(chǎng)地振動(dòng)強(qiáng)度低、頻帶窄;地表振動(dòng)能量主要分布在20Hz～80Hz頻段,高頻振動(dòng)的衰減明顯比低頻快;Biot粘性耦合參數(shù)b值越大,振動(dòng)水平就越低;b值的影響在一定程度上類似于頻率相關(guān)的粘滯阻尼效應(yīng),對(duì)高頻、遠(yuǎn)場(chǎng)的影響明顯大于對(duì)低頻、近場(chǎng)的影響。3次虛擬反演得到的振源函數(shù)值均逼近設(shè)定值,說(shuō)明反演方案完全適用于飽和場(chǎng)地上城軌交通的振源研究。
　　總之,本