填充沟对运行列车引起环境振动影响的理论研究与数值分析

摘要

随着铁路大提速以及城市轨道建设高峰期时代的到来，由列车运行引起的振动所造成的环境公害问题越来越严峻，这种持续性的振动公害给沿线居民的生活、工作带来了极大的不便，对周边建筑特别是古建筑的安全、精密仪器和设备的使用也造成了很大程度的影响。所以研究由列车运行引起的地面振动以及如何减小这种振动危害的课题，是具有重大意义和现实价值的。
　　本文从介绍振动波在土体介质中的传播以及连续屏障隔振原理入手，推导出瑞利波在填充沟屏障处的反射、透射系数，结合列车运行时轨道动反力的等效和提取，继而推导出填充沟隔振条件下列车运行引起的地面振动响应。对填充沟参数（沟宽、沟深、沟位置以及填充材料等）变化对隔振效果的影响进行了理论分析，得到了一些有工程实用性的规律。
　　本文建立了土体-填充沟模型，并加载同样的列车振源激励，将得到的数值结果与理论计算结果进行对比，验证了理论推导公式的适用性。填充沟的各参数对隔振效果的影响经数值模拟计算，证实了与理论计算的影响趋势是一致的，本文还特别讨论了模型在不同接触条件下（协调接触和弹性接触）地面振动的响应情况。本文得到的主要研究成果如下:
　　(1)对填充沟隔振效果影响最大的因素是填充沟的材料特性，材料与土体的差异性越大，隔振效果也好，反之隔振效果越差。在本文研究中，泡沫板隔振效果最好，砂砾石隔振效果最差。
　　(2)填充沟的宽度对隔振效果有影响，宽度增加，地面振级会有一定的下降，但宽度的选择要在工程造价和节约用地的范围内综合考虑。
　　(3)填充沟深度和填充沟位置对填充沟的隔振效果影响不大。但考虑到应尽可能的减小振动波在沟底的绕射，可将填充沟深度设置为一倍的瑞利波长。
　　(4)在数值模拟时考虑土体-填充沟之间的弹性接触关系能更真实的反应它们之间的动力相互作用，更符合真实的振动情况。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 振动控制相关研究

1．3 研究现状

1．4 本文研究内容

1．5 本文研究技术路线

2 弹性半空间介质中振动波的传播

2．1 弹性介质中的振动波

2．1．1 波的分类

2．1．2 弹性半空间介质中的波场特性

2．2 弹性半空间在竖向集中力作用下的振动响应

2．3 振动的表示方法

2．4 连续屏障隔振机理分析

2．4．1 P波、SV波在介质面上的反射与透射

2．4．2 瑞利波的特征

2．4．3 瑞利波在介质不连续面上的反射与透射理论简介

2．5 本章小结

3 填充沟隔振条件下列车引起地面振动的理论研究

3．1 列车运行引起的激振力等效和提取

3．1．1 列车移动荷载下地基动响应综述

3．1．2 理论计算中列车激振力的提取

3．2 地面质点在列车运行作用下无隔振时的振动响应

3．3 瑞利波在填充沟屏障处的反射与透射系数推导

3．3．1 瑞利波在填充沟处传播路径的推演

3．3．2 瑞利波在通过弹性夹层时的反射、透射系数的理论推导

3．3．3 理论推导模型验证

3．3．4 填充沟参数对反射、透射系数的影响

3．4 地面质点在列车运行作用下有填充沟隔振时的振动响应

3．4．1 填充沟隔振下地面质点在单点单频率激励下的位移推导

3．4．2 填充沟隔振下地面质点在多点多频率激励下的位移推导

3．5 有无填充沟隔振时地面质点振动响应的对比

3．6 本章小结

4 填充沟参数对隔振效果影响的理论分析

4．1 列车运行速度及车辆种类的影响

4．2 填充沟宽度的影响

4．3 填充沟深度的影响

4．4 填充沟材料特性的影响

4．5 填充沟位置的影响

4．6 本章小结

5 填充沟隔振数值分析及与理论计算的对比研究

5．1．1 模型假定

5．1．2 模型尺寸及单元大小确定

5．1．3 模型边界处理

5．1．4 时间步长的确定

5．1．5 土体及填充沟参数确定

5．1．6 数值模型中其他问题研究

5．2 土体-填充沟屏障系统模型的验证

5．3 理论分析与数值模拟的对比研究

5．3．1 工况设计

5．3．2 工况模拟及与理论计算对比研究

5．3．3 模型中土体与填充沟不同接触关系的影响

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 本文主要工作和结论

6．2 展望

参考文献

作者简历

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