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列车引起的自由场地及建筑物振动的理论分析和试验研究

专 业: 结构工程
关键词: 轨道交通 列车 环境振动 自由场地 建筑物 分层地基
分类号: U211.3  TB533
形 态: 共 244 页 约 159,820 个字 约 7.645 M内容
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内容摘要


随着城市的发展和人口的增多,交通问题日益突出,轨道交通以其运量大、速度快、安全可靠、运行准时等特点已成为解决城市交通拥挤的有效措施。

与此同时,列车运行时所引起的周围地面及临近建筑物的振动对人们的身体健康、生活和工作环境质量、建筑物的安全以及精密仪器的正常使用造成了越来越严重的影响,引起了国内外许多研究工作者的极大关注。

本文对列车引起的自由场地及建筑物的振动进行了理论分析和试验研究,较系统地分析了列车振源荷载作用下自由场地及建筑物振动的特性及影响因素。

主要研究内容包括:

(1)结合城市发展所带来的交通情况变化及其引发的振动问题,阐述了研究轨道交通引起地面及建筑物振动的必要性,概括了该问题的主要研究内容及研究方法,对国内外在这一领域的研究进行了较为全面的综述。

(2)分别从环境场地振动、人体振动、建筑物振动、精密仪器使用性能以及车辆平稳性等几方面对国内外的环境振动控制标准进行了详细的综述,对标准中的各种规定和限值进行了分析、比较和总结,对轨道交通引起的环境振动问题研究具有十分重要的作用。

(3)根据弹性动力学的基本方程,利用Fourier积分变换、Hankel积分变换和Haskell-Thomson传递矩阵法,在柱面坐标系下推导出了单位脉冲荷载作用于地基土表面时,弹性半空间、分层刚性基础和分层弹性半空间三种地基土模型表面竖向位移的Green函数,并通过算例对Green函数的特性进行了分析和研究。

(4)提出了Clenshaw-Curtis改进算法,并将其成功地应用到地基土Green函数从波数域到空间域的变换中,分别得到了空间域内柱面坐标系下和直角坐标系下的地基土Green函数。

(5)根据Betti-Rayleigh动力互易定理及Green函数的互易性推导了移动荷载作用下地基土的振动位移,并通过算例分析了移动常力荷载和简谐荷载作用下弹性半空间和分层弹性半空间地基土模型的振动特性。

(6)应用车辆动力学、轨道动力学及地基土的Green函数建立了比较完备的列车—轨道—地基土相互作用理论分析模型。

该模型不仅考虑了车辆自身的振动,而且考虑了轴重荷载组成的准静态激励力和轨道不平顺引起的轮轨动态激励力,其中轨道不平顺分别以单一波长的简谐波和功率谱密度函数进行模拟。

列车模型、轨道模型和地基土模型之间分别通过列车轮对—钢轨和轨枕—地基土之间的动力相互作用关系进行耦合。

最终推导出了准静态激励和轮轨动荷载激励引起的钢轨位移和地基土表面位移,并给出了实际轨道不平顺激励下地基土表面的位移、速度和加速度谱密度函数。

(7)基于本文的分析理论以及多年的科研积累,采用Matlab7.1编制了计算程序,结合算例对列车引起的自由场地振动特性进行了计算和分析。

通过引入分层地基土模型的频散曲线和截止频率,研究了列车速度和地基土特性对自由场地振动的影响以及准静态激励力在自由场地振动中的贡献。

最后分析了传播距离对自由场地振动的影响。

(8)针对运行列车引起的建筑物振动进行了现场试验研究和数值模拟分析。

从多个角度对试验数据进行分析,初步总结了列车荷载作用下低层和高层建筑物的振动特性,并用数值分析方法从列车轴重、车速、场地土条件和建筑物质量和刚度特性四个方面探讨了影响建筑物振动的若干因素,得出了一些有益的结论。

本文的理论分析和试验研究对轨道交通环境振动的预测评估和减隔振措施研究具有重要的理论意义和参考价值..……

全文目录


文摘
英文文摘
第1章 绪论
1.1轨道交通引起的环境振动问题
1.2轨道交通环境振动的研究内容和研究方法
1.2.1研究内容
1.2.2研究方法
1.3轨道交通振源模型综述
1.3.1列车荷载模型
1.3.2轨道模型
1.3.3振源激励力模型
1.3.4轨道—地基土相互作用
1.4移动荷载引起地基土振动的解析模型综述
1.4.1地基土振动响应的经典理论
1.4.2移动荷载作用下地基土振动的解析模型
1.4.3解析方法逐渐过渡到数值方法
1.5轨道交通引起的地面和建筑物振动的数值方法综述
1.5.1有限元法FEM
1.5.2边界元法BEM
1.5.3混合法
1.5.4数值模型维数的选取
1.6国内外具有代表性的环境振动计算模型
1.6.1英国诺丁汉特伦特大学的计算模型
1.6.2 比利时鲁汶大学的计算模型
1.6.3日本冈山大学的计算模型
1.6.4英国南安普敦大学的计算模型研究
1.6.5挪威岩土工程研究院的研究
1.6.6北京交通大学的计算模型研究
1.6.7国内其它单位对环境振动的研究情况
1.7本文的选题意义和研究内容
第2章 环境振动控制标准
2.1振动的参量及评价指标
2.1.1振动的参量
2.1.2振动的评价指标
2.2环境场地振动的控制标准
2.2.1我国的相关标准/规范
2.2.2日本的环境振动标准
2.3 ISO2631/1关于人全身振动的等感觉曲线
2.4建筑物振动的控制标准
2.4.1建筑物室内振动控制标准
2.4.2建筑物结构安全振动控制标准
2.5影响精密仪器使用性能的振动容许标准
2.6轨道交通车辆的平稳性控制标准
2.6.1车体加速度指标
2.6.2舒适度指标
2.7本章小结
第3章 地基土表面位移Green函数
3.1地基土模型的建立
3.2地基土动力特征参数的确定
3.2.1完全弹性地基土模型
3.2.2考虑材料阻尼的弹性地基土模型
3.3单层地基土的基本运动方程
3.4弹性半空间地基土模型的表面位移Green函数
3.4.1波数—频率域内的位移和应力表达式
3.4.2地基土模型的边界条件
3.4.3波数—频率域内的Green函数
3.5分层刚性基础地基土模型的表面位移Green函数
3.5.1单层土体上下表面振动的传递关系
3.5.2分层刚性基础地基土模型的振动传递关系
3.5.3波数—频率域内的Green函数
3.6分层弹性半空间地基土模型的表面位移Green函数
3.7算例分析
3.7.1弹性半空间地基土表面位移Green函数
3.7.2分层刚性基础地基土表面位移Green函数
3.7.3分层弹性半空间地基土表面位移Green函数
3.8本章小结
第4章 移动荷载引起的地基土振动及Green函数的波数—空间变换
4.1 Betti-Rayleigh动力互易定理
4.2 Green函数的互易性
4.3移动荷载引起的地基土表面振动
4.3.1移动荷载作用下地基土振动位移的推导
4.3.2移动的常力荷载和简谐荷载引起的地基土振动
4.4 Green函数从波数域变换到空间域
4.4.1直角坐标系下Green函数在波数—频率域内的表示
4.4.2 Green函数从波数域到空间域的变换式
4.4.3采用Clenshaw-Curtis改进算法求解空间域的Green函数
4.5算例分析
4.6本章小结
第5章 列车—轨道—地基土相互作用模型
5.1车辆模型
5.1.1车辆模型的建立
5.1.2轮对位移的频域解
5.2列车—轨道相互作用模型
5.2.1轨道模型的建立
5.2.2轨道不平顺的考虑
5.2.3车辆模型作用到轨道模型上的激励力
5.2.4轮轨接触关系
5.3轨道—地基土相互作用模型
5.3.1单个移动荷载作用下的钢轨竖向位移
5.3.2列车所有轮对荷载作用下的钢轨竖向位移
5.3.3轨枕的动平衡方程及其与钢轨位移的耦合
5.3.4地基土表面位移及其与轨枕位移的耦合
5.3.5列车引起的轨道位移及结构间的相互作用力
5.4轮轨动态作用力的求解
5.5运行列车引起的钢轨和地基土振动响应
5.5.1钢轨位移和地基土表面位移
5.5.2钢轨位移和地基土表面位移的功率谱
5.6本章小结
第6章 列车引起的自由场地振动特性分析
6.1程序设计及功能介绍
6.2计算参数的选取
6.2.1车辆参数
6.2.2轨道系统参数
6.2.3轨道不平顺参数
6.2.4地基土参数
6.3列车、轨道、自由场地的振动分析
6.3.1运行列车作用到钢轨上的激励力
6.3.2轨枕正下方地基土表面受到的作用力
6.3.3轨道不平顺激振频率对轮轨力和轮对、钢轨位移的影响
6.3.4列车速度对轮轨动荷载、轮对位移和钢轨位移的影响
6.3.5轨道结构和自由场地的振动响应
6.4车速和地基土特性对自由场地振动的影响
6.4.1分层地基土的频散曲线和截止频率
6.4.2车速和地基土特性对自由场地振动的影响
6.5准静态激励力对自由场地振动的贡献
6.7垂直轨道方向的传播距离对自由场地振动的影响
6.8本章小结
第7章 列车引起建筑物振动的试验研究和数值分析
7.1列车引起低层建筑物和地面振动的试验研究
7.1.1试验简介
7.1.2建筑物振动
7.1.3地面振动
7.2列车引起高层建筑物振动的试验研究
7.2.1试验场地和加速度传感器的布置
7.2.2列车加载情况
7.2.3实测楼板振动加速度时程曲线
7.2.4实测楼板振动加速度的频谱分析
7.2.5楼板振动加速度的统计分析
7.2.6楼板振动加速度级随楼层的变化特性
7.3列车引起高层建筑物振动的数值分析
7.3.1数值分析模型
7.3.2数值模型中参数的选取
7.3.3列车引起建筑物振动的影响因素分析
7.4本章小结
第8章 结论与展望
8.1本文主要研究内容及结论
8.1.1总结了国内外环境振动的控制标准
8.1.2建立了较为完备的列车引起自由场地振动的理论分析模型
8.1.3对列车引起的自由场地振动特性进行了计算分析
8.1.4对列车引起的建筑物振动进行了现场试验研究和数值模拟分析
8.2有待进一步研究的问题
参考文献

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中图分类: > U211.3 > 交通运输 > 铁路运输 > 铁路线路工程 > 线路理论
其他分类: > TB533 > 工业技术 > 一般工业技术 > 声学工程 > 振动、噪声及其控制 > 振动与噪声的发生

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