高架轨道交通引起的环境振动影响分析与预测

    随着经济与社会的不断发展，轨道交通引起的环境振动越来越严重，振害已经成为七大公害之一。作为轨道交通形式之一的高架轨道交通引起的环境振动已经引起了各国学者的深入研。Takemiya H 对新干线列车引起的环境振动进行了研究[1]Yang Y B 对高架桥引起的环境振动进行了数值计算[2]；在国家自然科学基金重点项目和比利时-中国政府间合作项目的支持下，夏禾教授带领课题组对环境振动进行了深入的研究[3―5]，魏蓬勃对轨道交通引起的环境振动进行了预测研究[6]；雷晓燕对轨道交通引起环境振动的评估进行了研究[7]。谢卫平教授、蒋通教授根据实测数据对高架轨道交通引起的环境振动预测公式进行了拟合[8―9]。

    这些研究成果为高架轨道交通引起的环境振动预测具有一定的指导意义，但是这些预测公式有的参数较少，难以适应复杂的环境振动预测，有的公式形式太过复杂，不利于实际工程应用。因此，提出适合工程应用的高架轨道交通环境振动预测公式，特别是对环境影响最严重的竖向振动的预测公式有其必要性和紧迫性。

    高架轨道交通引起的环境振动体系是一个包括车辆、桥梁、桥梁基础及周围场地的复杂体系。本文通过两个子模型(车-桥子模型和墩-土子模型)建立振动分析模型，通过改变各主要参数，计算相应的振动变化规律，根据计算结果建立环境振动预测公式，并与北京地铁 5 号线的实测结果进行了对比。

    1 振动分析模型

    高架轨道交通引起的环境振动模型如图 1 所示，整个系统可以简化为两个子系统，车-桥子系统和墩-土子系统。

    1.1 车-桥体系模型

    车-桥体系模型包括车辆模型和桥梁模型，如图 2 所示。

    1.1.1 车辆模型

    轨道交通列车是由多节车辆组成的，每节车辆又是由车体、转向架、轮对及弹簧-阻尼器悬挂装置组成的多自由度振动系统，为了简化计算，采用如下假定：

    1) 假定每节车辆的车体、转向架和轮对均为刚体。

    2) 车体和转向架之间的弹簧和阻尼器为“二系悬挂装置”，转向架和轮对之间的弹簧和阻尼器为“一系悬挂装置”，一系、二系的弹簧和阻尼均按线性弹簧和粘滞阻尼。

    3) 每个车体和转向架均考虑点头和沉浮 2 个自由度，轮对仅考虑沉浮。

    车辆的运动方程采用 Lagrange 运动方程建立。Lagrange 运动方程的表达式为：

    式中，T、V、Q 为系统运动总动能、总弹性势能和阻尼总耗散能量。