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摘 要：本文重点研究高速铁路引起振动的隔振研究，通过ANSYS建模进行有限元分析，在设置空沟的情况下，竖向振动加速度变化规律及隔振效果分析。
关键词：隔振研究；振动；有限元分析
近些年来，高速铁路已成为我国普遍应用并且迅速发展的运输方式，但是随着列车速度的提高，由高铁线路产生的噪声与振动强度也变得更高，因此学者们开始密切关注和研究高速铁路如何减小振动对周围环境的影响。
屏障系统被看作是防止和减轻地面振动的有效措施。总的来说，一直以来研究最多的是连续屏障隔振，其中开口空钩即明沟使用最多，明沟比起其他形式的屏障有其独到的优势，隔振效果也较好，但是过去研究的屏障计算模型多以二维有限元模型为主，三维有限元模型的隔振研究较少。
因此，本文采用列车—空沟—大地的三维有限元分析模型研究不同隔振措施对列车引起的地面振动影响，并从传播路径上采用明沟对地面进行隔振分析，并比较这几种隔振的隔振效果，最后提出隔振的优化措施。
一、理论模型
（一）车辆荷载模型
竖向轮轨力主要出现在三个频率范围内，低频范围、中频范围、高频范围，通常采用一个激振力函数来模拟轮轨力
二、有限元模型
（一）列车
列车已经被简化为一系列的垂直荷载F（t），它根据火车的几何形状和组成加载在不同位置并以恒定的速度在轨道上移动。列车如图1所示。
（二）轨道
轨道被视为弹性欧拉-伯努利梁，这是由一个初等梁的无穷级数构成，其中挠曲刚度EI和单位长度质量M。轨道的总体动态刚度矩阵Kt是通过所有初等梁的动态刚度矩阵组合构成。
其中Ki是静态刚度矩阵，Mi是连续质量矩阵。
（三）桩土耦合
将轨道模拟为弹性欧拉-伯努利梁，通过一系列离散的点被连接到土体。土体被模拟为一个连续的水平层状半空间，土体特征是频率相关的刚度和阻尼。
（四）建模
采用通用有限元软件ANSYS[7-10]建立模型，轨道和混凝土桩采用BEAM4单元，轨道和混凝土桩之间采用采用COMBIN14弹簧单元，土体采用SOLID45单元，边界与COMBIN14弹簧单元连接，另一端固定。
模型选取长300m，宽72m，高58m。周围采用人工粘弹性边界[6]，人工粘弹性边界由弹簧和阻尼单元并联组成，与土体边界垂直。取结构的一半建模，地基土为成层土，分为四层。具体地基土参数见表1。
三、结构分析
（一）空沟宽度w的影响
采用图3模型，隔振沟的沟深h=5m，空沟距路基20m，第一测点位于20m处，以后5m一个测点，共9个测点，隔振沟的宽度w分别取lm、2m、3m和4m。图4（a）和图4（b）分别是两种不同速度下，地面不同测点竖向加速度振级随距离的变化规律。
从图4中可以看出，当w增加时，地面竖向加速度有效值会逐渐降低，并且当w=2m时，地面的减振效果最佳；但h继续增加时，地面竖向振动变化都很小，说明在一定的沟宽范围内，w增大可有效降低地面的振动水平，w超过一定值后，w的继续增加对地面的振动影响较小。
（二）空沟深度h的影响
空沟距路基20m，第一测点位于20m处，以后5m一个测点，一共9个测点，沟宽w=lm。隔振沟的深度h分别取3m、5m、7m和9m。图5分别是两种不同的列车速度下，地面不同测点竖向加速度振级随距离的变化规律。
从图5中可以看出，速度v =72km/h和v =216km/h时，空沟处的竖向加速度有效值都明显降低，振动减弱；当以高速v =216km/h运行时，减震在15～26dB左右，当以低速v =72km/h运行时，减震在10～18dB左右，高速减震效果约是低速减震效果的1.5倍；并且空沟之后的测点下降也很明显。说明空沟能够起到减震效果，并且，空沟越深，其有效隔振频率的下限就越低，减振效果越好，减震在10dB左右。
（三）有无空沟的频谱分析
选用空沟距路基20m，宽度为w=2m，深度为h=5m的隔振沟和无隔振沟条件下，地面竖向加速度频谱进行对比。如图6（a）与图6（b）分别是v=72km/h和v=216km/h情况下，有、无隔振沟下地面加速度振动频谱对比图。
（a）v=72km/h （b）v =216km/h
图6 有、无空沟的地面振动加速度傅里叶谱
从图6中可以看出，高频振动部分衰减较快；地面竖向振动都属于低频振动，主频率在20～40Hz。有无隔振沟，对地面竖向振动主频率值没有影响，但对幅值影响较大，有隔振沟时，主频的幅值下降较多，这与前面采取空沟措施时，地面加速度振级与无隔振措施相比降低很多的结果相吻合。从加速度振级和频谱两方面都说明，空沟对低频振动有较好的隔振效果。
四、结论
对于由高速列车引起地面的低频振动中，主要通过隔断波的传播途径有效的降低运行列车对地面的振动影响。空沟措施效果明显，随着隔振沟深度的增加对沟后土体振动的隔振效果越来越好，而且，空溝宽度也对沟后土体振动的隔振效果有一定的影响，宽度有一最优值，在w=2m这一宽度下，空沟隔振效果最佳。
参考文献：
[1]魏鹏勃，夏禾，陈建国等.高架轨道交通引起的地面振动理论与试验研究[J].工程力学，2009，26（10）117-122.
[2]王田友，丁洁民，楼梦麟.地铁运行引起场地振动的荷载与分析方法[J].工程力学，2010，27 （1） ：195- 201.
[3]梁波，罗红，孙常新.高速铁路振动荷载的模拟研究[J].铁道学报，2006 ，28 （4）：89-94.
[4]Kliukas， R.， Jaras， A. and Kacianauskas. Investigation of traffic-induced vibration in Vilnus Arch-Cathedral Belfry， Transport， 2008， 23（4）， 323-329.
关键词：隔振研究；振动；有限元分析
近些年来，高速铁路已成为我国普遍应用并且迅速发展的运输方式，但是随着列车速度的提高，由高铁线路产生的噪声与振动强度也变得更高，因此学者们开始密切关注和研究高速铁路如何减小振动对周围环境的影响。
屏障系统被看作是防止和减轻地面振动的有效措施。总的来说，一直以来研究最多的是连续屏障隔振，其中开口空钩即明沟使用最多，明沟比起其他形式的屏障有其独到的优势，隔振效果也较好，但是过去研究的屏障计算模型多以二维有限元模型为主，三维有限元模型的隔振研究较少。
因此，本文采用列车—空沟—大地的三维有限元分析模型研究不同隔振措施对列车引起的地面振动影响，并从传播路径上采用明沟对地面进行隔振分析，并比较这几种隔振的隔振效果，最后提出隔振的优化措施。
一、理论模型
（一）车辆荷载模型
竖向轮轨力主要出现在三个频率范围内，低频范围、中频范围、高频范围，通常采用一个激振力函数来模拟轮轨力
二、有限元模型
（一）列车
列车已经被简化为一系列的垂直荷载F（t），它根据火车的几何形状和组成加载在不同位置并以恒定的速度在轨道上移动。列车如图1所示。
（二）轨道
轨道被视为弹性欧拉-伯努利梁，这是由一个初等梁的无穷级数构成，其中挠曲刚度EI和单位长度质量M。轨道的总体动态刚度矩阵Kt是通过所有初等梁的动态刚度矩阵组合构成。
其中Ki是静态刚度矩阵，Mi是连续质量矩阵。
（三）桩土耦合
将轨道模拟为弹性欧拉-伯努利梁，通过一系列离散的点被连接到土体。土体被模拟为一个连续的水平层状半空间，土体特征是频率相关的刚度和阻尼。
（四）建模
采用通用有限元软件ANSYS[7-10]建立模型，轨道和混凝土桩采用BEAM4单元，轨道和混凝土桩之间采用采用COMBIN14弹簧单元，土体采用SOLID45单元，边界与COMBIN14弹簧单元连接，另一端固定。
模型选取长300m，宽72m，高58m。周围采用人工粘弹性边界[6]，人工粘弹性边界由弹簧和阻尼单元并联组成，与土体边界垂直。取结构的一半建模，地基土为成层土，分为四层。具体地基土参数见表1。
三、结构分析
（一）空沟宽度w的影响
采用图3模型，隔振沟的沟深h=5m，空沟距路基20m，第一测点位于20m处，以后5m一个测点，共9个测点，隔振沟的宽度w分别取lm、2m、3m和4m。图4（a）和图4（b）分别是两种不同速度下，地面不同测点竖向加速度振级随距离的变化规律。
从图4中可以看出，当w增加时，地面竖向加速度有效值会逐渐降低，并且当w=2m时，地面的减振效果最佳；但h继续增加时，地面竖向振动变化都很小，说明在一定的沟宽范围内，w增大可有效降低地面的振动水平，w超过一定值后，w的继续增加对地面的振动影响较小。
（二）空沟深度h的影响
空沟距路基20m，第一测点位于20m处，以后5m一个测点，一共9个测点，沟宽w=lm。隔振沟的深度h分别取3m、5m、7m和9m。图5分别是两种不同的列车速度下，地面不同测点竖向加速度振级随距离的变化规律。
从图5中可以看出，速度v =72km/h和v =216km/h时，空沟处的竖向加速度有效值都明显降低，振动减弱；当以高速v =216km/h运行时，减震在15～26dB左右，当以低速v =72km/h运行时，减震在10～18dB左右，高速减震效果约是低速减震效果的1.5倍；并且空沟之后的测点下降也很明显。说明空沟能够起到减震效果，并且，空沟越深，其有效隔振频率的下限就越低，减振效果越好，减震在10dB左右。
（三）有无空沟的频谱分析
选用空沟距路基20m，宽度为w=2m，深度为h=5m的隔振沟和无隔振沟条件下，地面竖向加速度频谱进行对比。如图6（a）与图6（b）分别是v=72km/h和v=216km/h情况下，有、无隔振沟下地面加速度振动频谱对比图。
（a）v=72km/h （b）v =216km/h
图6 有、无空沟的地面振动加速度傅里叶谱
从图6中可以看出，高频振动部分衰减较快；地面竖向振动都属于低频振动，主频率在20～40Hz。有无隔振沟，对地面竖向振动主频率值没有影响，但对幅值影响较大，有隔振沟时，主频的幅值下降较多，这与前面采取空沟措施时，地面加速度振级与无隔振措施相比降低很多的结果相吻合。从加速度振级和频谱两方面都说明，空沟对低频振动有较好的隔振效果。
四、结论
对于由高速列车引起地面的低频振动中，主要通过隔断波的传播途径有效的降低运行列车对地面的振动影响。空沟措施效果明显，随着隔振沟深度的增加对沟后土体振动的隔振效果越来越好，而且，空溝宽度也对沟后土体振动的隔振效果有一定的影响，宽度有一最优值，在w=2m这一宽度下，空沟隔振效果最佳。
参考文献：
[1]魏鹏勃，夏禾，陈建国等.高架轨道交通引起的地面振动理论与试验研究[J].工程力学，2009，26（10）117-122.
[2]王田友，丁洁民，楼梦麟.地铁运行引起场地振动的荷载与分析方法[J].工程力学，2010，27 （1） ：195- 201.
[3]梁波，罗红，孙常新.高速铁路振动荷载的模拟研究[J].铁道学报，2006 ，28 （4）：89-94.
[4]Kliukas， R.， Jaras， A. and Kacianauskas. Investigation of traffic-induced vibration in Vilnus Arch-Cathedral Belfry， Transport， 2008， 23（4）， 323-329.