鐵路環(huán)境振動對鐵路沿線廠房內(nèi)精密儀器影響的研究

鐵路環(huán)境振動對鐵路沿線廠房內(nèi)精密儀器影響的研究

近年來，中國鐵路和城市軌道交通快速發(fā)展，公共交通環(huán)境的振動引起了政府和公眾的廣泛關(guān)注。鐵路環(huán)境振動會對居民的日常生活和工作、古建筑的結(jié)構(gòu)安全以及工廠、學(xué)校內(nèi)精密儀器設(shè)備的生產(chǎn)和使用產(chǎn)生很大的影響。為了解決軌道交通引起的環(huán)境振動問題,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。Sheng等采用解析的波數(shù)-頻率域法建立了軌道結(jié)構(gòu)單層或多層梁模型,分析了高速列車引起的軌道和大地振動。國外學(xué)者對精密儀器的環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了詳細(xì)討論,Xia等對地鐵列車運(yùn)行引起的振動對精密儀器的影響作了大量的現(xiàn)場測試和理論分析工作,這些研究取得了很多成果,得出了大量有意義的結(jié)論。本文以新建龍煙鐵路沿線附近廠房內(nèi)的精密儀器為研究對象,利用有限元法,建立軌道—橋梁及橋墩-基礎(chǔ)-大地的計(jì)算模型,利用這2個(gè)模型計(jì)算貨車在不同運(yùn)行速度下引起的大地振動響應(yīng),得出振動加速度、速度及位移沿距離的衰減規(guī)律,分析鐵路環(huán)境振動對沿線廠房內(nèi)精密儀器的影響。1背景材料1.1園路5:煤炭基地—龍煙鐵路概況龍煙鐵路西起大萊龍鐵路的龍口西站(不含),經(jīng)龍口市、蓬萊市、經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、福山區(qū)、芝罘區(qū)至珠璣站,新建正線全長112.735km;福山聯(lián)絡(luò)線13.166km。與規(guī)劃德大鐵路、既有大萊龍鐵路共同形成太原煤炭基地至環(huán)渤海港口煙臺(龍口)港的便捷通道,是環(huán)渤海鐵路、沿海鐵路的重要組成部分。線路為Ⅰ級單線(預(yù)留雙線條件)鐵路,旅客列車采用城際動車組,最高運(yùn)行速度為160km/h,貨物列車采用SS4和HXD1型電力機(jī)車牽引,最高運(yùn)行速度為120km/h,全線采用有砟軌道。1.2線路振動參數(shù)限值在煙臺開發(fā)區(qū),龍煙鐵路以高架形式近距離經(jīng)過煙臺勝利汽車零部件制造有限公司,該公司內(nèi)設(shè)有兩臺精密儀器-光譜儀和制芯機(jī),根據(jù)線路設(shè)計(jì)平面圖和現(xiàn)場測量,光譜儀到線路中心線的垂直距離為96.93m,振動參數(shù)限值要求如下:加速度<1.98m/s2;速度<8×10-3m/s;位移<8×10-5m;制芯機(jī)到線路中心線的垂直距離為124.75m,振動參數(shù)限值要求如下:x和y方向的加速度<1.15m/s2,z方向的加速度<0.8m/s2。2橋橋式立交的有限元模型為模擬列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動,建立軌道-橋梁耦合有限元模型,將車輛(機(jī)車)簡化為一系列以速度v移動的荷載,計(jì)算作用于橋梁支座上的反力,建立橋墩-基礎(chǔ)-大地三維有限元模型,將第1個(gè)模型計(jì)算的力加載到第2個(gè)模型上,計(jì)算與線路中心線不同距離的地面振動加速度、速度和位移。2.1[e][ke]利用有限元方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動計(jì)算,可以得到在移動荷載作用下結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的節(jié)點(diǎn)加速度、速度和位移的響應(yīng),基本方程為:[Μe]{??ue}+[Ce]{˙ue}+[Κe]{ue}={Fe}[Me]{u??e}+[Ce]{u˙e}+[Ke]{ue}={Fe}(1)式中:[Me],[Ce]和[Ke]分別為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣;{??ue}?{˙ue}{u??e}?{u˙e}和{ue}分別為結(jié)構(gòu)振動加速度、速度和位移;{Fe}為荷載向量。對于上述微分方程的求解可采用Newmark時(shí)間積分方法在離散的時(shí)間點(diǎn)上求解動力學(xué)方程,系統(tǒng)采用Raleigh阻尼。2.2彈簧阻尼單元該模型從上到下依次為:60kg/m鋼軌、扣件、軌枕、道砟、橋梁。鋼軌采用梁單元Beam3來模擬,軌枕用質(zhì)量點(diǎn)單元Mass21等效,墊板、扣件以及道床可以采用彈簧阻尼單元combin14等效。軌道-橋梁有限元力學(xué)模型如圖1所示。根據(jù)一般軌道的實(shí)際支撐情況取鋼軌梁單元的長度為0.6m,鋼軌的每個(gè)節(jié)點(diǎn)處用彈簧阻尼單元連接一個(gè)軌枕質(zhì)量點(diǎn)單元,再由彈簧阻尼單元連接到橋梁節(jié)點(diǎn)上。模型的參數(shù)取值見表1。2.3單元樁基礎(chǔ)橋墩—基礎(chǔ)—大地模型考慮5跨簡支梁橋,橋墩尺寸由線路設(shè)計(jì)單位提供。橋墩及承臺采用solid45單元,最小單元尺寸0.5m;樁基礎(chǔ)采用beam4模擬,樁頂單元的節(jié)點(diǎn)與承臺節(jié)點(diǎn)耦合,為方便計(jì)算,樁長均設(shè)為42m,大地邊界采用粘彈性吸收邊界,用以吸收邊界上的反射波。橋墩-樁基礎(chǔ)模型如圖2所示,橋墩-基礎(chǔ)-大地有限元模型如圖3所示,土層參數(shù)由線路勘探設(shè)計(jì)單位提供,見表2。3工藝速度對比為了模擬振動最不利的情況,計(jì)算時(shí)考慮兩列貨車在煙臺勝利汽車零部件制造有限公司處交會,貨車速度分別取120,100及80km/h。各計(jì)算工況見表3。4結(jié)論分析4.1軌道不偏差的影響在高架軌道誘發(fā)環(huán)境振動的研究中,車輛(機(jī)車)的振動并不是主要考慮因素,因此將其簡化為一系列以速度v移動的荷載。在考慮軌道不平順對輪軌力的影響時(shí),可以將不平順導(dǎo)致的慣性力疊加在輪對靜荷載上,軌道不平順采用美國6級不平順譜樣本,如圖4所示。整個(gè)分析計(jì)算過程采用全瞬態(tài)的分析方法,時(shí)間積分步長取為0.005s,計(jì)算的總時(shí)間7.8s。為取得有效的計(jì)算精度,整列車的車輛數(shù)取為8節(jié)。利用軌道—橋梁模型,帶入表1中的參數(shù),可以得到3種工況下的橋墩支座反力,如圖5～7所示。4.2各工況振動響應(yīng)分析將橋墩支座反力計(jì)算結(jié)果加載到橋墩-基礎(chǔ)-大地有限元模型中,采用瞬態(tài)分析方法對距離線路中心線不同位置的地面振動進(jìn)行分析,圖8～10所示為各工況振動加速度、速度及位移沿距離的變化規(guī)律曲線。從圖8～10可以看出:貨物列車速度對振動響應(yīng)的影響較大,速度越高,地面上相同位置上的振動響應(yīng)越大;各工況振動指標(biāo)沿距離衰減特性基本一致,呈現(xiàn)指數(shù)曲線的衰減規(guī)律,在距離線路中心線80m左右的范圍內(nèi),振動迅速衰減,但在20-40m范圍內(nèi)有振動“反彈增大”現(xiàn)象出現(xiàn),超過80m之后,振動表現(xiàn)為緩慢衰減的趨勢。4.3加速度、速度和位移預(yù)測值光譜儀與線路中心線之間的距離為96.93m,分別提取光譜儀位置處各工況下的振動加速度、速度和位移,見表4。制芯機(jī)與線路中心線之間的距離為124.75m,分別提取制芯機(jī)位置處各工況下的振動加速度、速度和位移,見表5。從表4和表5可以看出:當(dāng)2貨車以120,100和80km/h的速度在精密儀器附近交會時(shí),光譜儀的加速度、速度及位移的預(yù)測值滿足儀器振動限值要求;制芯機(jī)的加速度預(yù)測值滿足儀器的限值要求。5振動衰減特性(1)貨物列車速度對振動響應(yīng)的影響較大,速度越高,地面上相同位置上的振動響應(yīng)越大。(2)振動加速度、速度和位移沿距離的衰減特性基本一致,呈現(xiàn)指數(shù)曲線的衰減規(guī)律,在距離線路中心線80m左右的范圍內(nèi),