地震-列车移动荷载耦合作用下高铁路基振动特性研究

基于轨道结构-路基-地基动力相互作用理论,建立考虑地震-列车移动荷载耦合输入的轨道结构-路基-地基动力学模型,研究高速铁路路基及轨道在耦合荷载作用下的振动响应问题。通过编制DLOAD子程序并与ABAQUS有限元计算程序联立,实现地震荷载与列车移动荷载耦合作用的施加,以高速铁路桩承式路基及自由式路基为研究对象,对地震-列车移动荷载耦合作用下两种路基系统的动力响应进行数值计算并比较两者的振动响应差异。结果表明,耦合荷载对桩承式路基动力响应影响显著,该荷载作用下桩承式路基会发生共振现象,使得桩承式路基中轨道和路基振动位移幅值均大于自由式路基的振动位移幅值;桩承式路基不会影响路基系统的振动频率,但会改变路基系统的振动大小,桩承式路基中轨道X方向加速度、路肩边及路基坡脚处的竖向加速度分别减小6.2%、50%、28.6%。     

高速铁路弹塑性路基及轨道的地震反应特性研究

高铁列车运行时突发地震会对路基及轨道产生振动危害,严重影响列车的安全运行。为此,文中建立轨道系统-弹塑性路基-地基三维精细化有限元模型,分析高速铁路弹塑性路基和轨道在不同列车速度v(50、70、100、130 m·s~(-1))下的地震反应特性,结果表明:地震与列车共同作用下,路基和轨道的位移振幅主要受地震作用影响,而车速变化对路基位移幅值的作用较弱,对轨道的作用较强;地震发生时,列车以不同车速运行会对路基和轨道的频谱曲线产生不同程度的波动影响,其中在车速50 m·s~(-1)时波动最为剧烈,且总体向高频移动,并出现多个振动主频,此时路基和轨道的加速度峰值分别为单独移动荷载的2.3和1.3倍,路基及轨道加速度显著提高;地震作用下,列车的脱轨系数与横向位移在车速50 m·s~(-1)时显著增大,超过列车安全运行的标准;推测车速50 m·s~(-1)(180 km·h~(-1))为列车脱轨的临界速度。     

高边坡在水平动荷载作用下的动力响应规律研究

高岩石边坡在水平动荷载作用下的动力响应规律是有关工程界十分关心的问题。本文通过大量的数值模拟分析对边坡的动力响应规律进行研究，发现了高岩石边坡在水平动荷载下动力响应的加速度、速度、位移三量放大系数等值线在边坡剖面上分布的规律性特点。对于一定的岩土体材料，当边坡高度在一定时，边坡动力响应的加速度、速度、位移三量会随着边坡角度的增大而减小；当边坡的角度一定时，边坡动力响应的加速度、速度、位移三量会随着边坡高度的增加而放大；边坡的下覆岩层的材料特性对于边坡的动力响应的加速度、速度、位移三量的放大作用的影响具有一定的规律性；边坡动力响应的加速度、速度二量受动荷载的特征周期影响较位移明显，具有一定的规律性。边坡的边缘部位对振动的反应幅值较之内部存在放大现象，坡度决定了三量分布的等值线方向的走向。其结论性成果体现了高岩石边坡的地震动力响应特征，为高边坡工程提供理论基础和实践依据。     

桩承式高速铁路路基的地震反应特性研究

桩承式路基在我国高铁路基中广泛应用,因此,论文建立地震荷载作用下轨道-路基-地基三维数值计算模型,研究地震荷载作用下桩承式路基的地震反应特性,分析桩径、桩长、桩间距、桩身弹性模量等计算参数对路基地震反应的影响,并与自由式路基的地震反应对比。自由式路基地震反应特性表明,地震荷载作用下水平x方向钢轨振动位移幅值最大,是z方向的5倍,路基坡脚处振动位移幅值是基床表层的25.2倍,轨道、路基频谱曲线主频单一,且主频范围为2.5～7.5 Hz;与自由式路基相比,桩承式路基对轨道水平方向位移幅值、加速度幅值有增大作用,但减小了轨道竖向位移幅值、加速度幅值;对路基各结构层位移幅值、加速度幅值都有明显减小作用。综合考虑,桩承式路基抗震性能最佳桩径为0.8 m,最佳桩长为8～10 m,最佳桩间距为2 m,最佳桩弹性模量为20 GPa。     

移动荷载作用下轨道地基的位移反应

将车辆荷载等效为移动的动点荷载,地基等效为弹性半空间,利用改进的圆心位移影响函数法求解了轨道路基的竖向位移反应的解析解,探讨了离车辆荷载距离、车辆荷载振动频率、速度对位移的影响规律。研究表明离振源距离的增加,位移函数收敛的值逐渐减小;频率对位移的变化有明显的影响,位移函数收敛的趋势随频率的增大而变快,并且变化的幅度随频率的增大而越来越大;在速度为160公里/小时范围内,竖向位移对速度的影响规律不明显。     

地震荷载作用下加筋土挡墙动力特性分析

利用有限元软件对加筋土挡墙在地震荷载作用下的动力特性进行模拟分析,重点分析其在不同加筋长度、加筋间距以及峰值加速度条件下的动力响应特性。通过有限元分析一个高6m、底部为基础土的加筋土挡墙在地震荷载作用下的行为,针对理想化墙体研究加筋土挡墙的某些动力特性。模拟计算结果表明加筋土挡墙的加筋长度、加筋间距以及峰值加速度的变化对其水平位移、沉降及受力有较大影响。采用长度大的加筋材料可以有效减小加筋土挡墙的水平位移,但这样将导致加筋拉伸荷载的增大,同时也将导致加筋土挡墙的隆起增大。峰值加速度的大小对加筋土挡墙的水平位移有很大影响,当峰值加速度增大时水平位移也随之增大,但并不呈线性增长关系。减小加筋间距会有效地限制加筋土挡墙面板整体的水平位移,但在一定范围内减小加筋间距也会使加筋区域内土体底部挡墙的水平位移出现相对增大的现象,因此通过减小加筋间距来限制加筋土挡墙的位移在一定程度上具有局限性。     

四种地下结构抗震设计简化分析方法对比

在地下结构抗震设计简化分析方法中,强制反应位移法将土层变形施加在有限元模型侧边界模拟地震作用,反应加速度法将土层加速度施加到整个有限元模型上模拟地震作用,此外还有仅将土层加速度施加到土层模型上模拟地震作用的方法。上述方法均规避了反应位移法中关于弹簧刚度的取值问题,提高了计算效率。本文以1个双跨箱形结构为例,用动力时程分析的计算结果作为校核,分析了强制反应位移法、反应加速度法和仅将土层加速度施加到土体中的简化分析方法在不同侧边距条件下的计算精度,再结合常用的反应位移法,对比分析了4种简化分析方法的误差。分析结果表明:使用强制反应位移法时,侧边距取为1倍结构宽度导致的误差最小,反应加速度法和仅在土体施加加速度的简化方法对侧边距取值不敏感,反应位移法在角点造成的误差最大。     

移动荷载对桥梁动力响应的影响研究——以开裂预应力混凝土简支梁为例

混凝土桥梁在工作过程中会产生裂缝,为分析移动荷载对开裂混凝土桥梁结构刚度的影响,对开裂梁动力响应进行分析。建立简支T梁桥有限元模型,并将移动荷载施加至有限元模型中。根据简支T梁桥破坏横向分布位置和强度的不同,研究不同工况下各梁荷载横向分布及不同移动速度对裂缝扩展宽度的影响。结果表明,数值模拟结果能较好地验证计算模型的准确性;在较大的移动荷载作用下,混凝土开裂,导致结构刚度减小、位移增大;随着移动荷载和速度的增加,开裂时间增加,结构刚度降低,持续时间增加,位移增大,使结构响应呈现明显非线性。     

既有线200km／h提速客货共线直线段轨道的动力特性

既有线提速是高速铁路发展的重要方向之一。本文主要对轨道路基在列车荷载作用下的动力响应规律进行了研究。首先,建立轨道系统在移动荷载作用下的动力响应理论分析模型,该模型将轨道结构视为连续支承欧拉梁,对ANSYS软件进行二次开发,实现了模型的数值分析;然后,建立直线段轨道数值分析模型,利用该模型分析了荷载速度、载重、不平顺波长、不平顺波深对既有线路提速200km／h客货共线直线段钢轨、轨枕的竖向位移及竖向加速度的影响。可为制定新的铁路养护技术规范提供技术参考。     

液化对地表运动影响的现场试验研究

通过现场人工激震土体液化试验,研究液化对地表地面运动的影响,以求从一个新的角度得到地表运动与液化关联性的认识。设计了受到不同震动幅值下3种不同密实度的饱和砂土样人工激震试验,得到了其液化水平与地表加速度的关系以及液化对地表运动的影响规律,试验结果表明:荷载较小不足以使砂土发生完全液化时,砂土相对密度对孔压上升极限值起控制作用;荷载能使砂土液化时,砂土相对密度对孔压上升速率起控制作用,其中密实砂土最为敏感;以孔压比作为液化水平特征量,液化土体开始影响土表加速度的孔压比门槛值在0.3左右,液化土体削减地表加速度的孔压比在0.3~0.7之间,该值与饱和砂土的相对密度正相关、与荷载幅值负相关,而液化土体显著影响地表加速度的孔压比在0.7以上。     

Dynamic analysis of slab track on multi-layered transversely isotropic saturated soils subjected to train loads

The dynamic responses of a slab track on transversely isotropic saturated soils subjected to moving train loads are investigated by a semi-analytical approach. The track model is described as an upper Euler beam to simulate the rails and a lower Euler beam to model the slab. Rail pads between the rails and slab are represented by a continuous layer of springs and dashpots. A series of point loads are formulated to describe the moving train loads. The governing equations of track-ground systems are solved using the double Fourier transform, and the dynamic responses in the time domain are obtained by the inverse Fourier transform. The results show that a train load with high velocity will generate a larger response in transversely isotropic saturated soil than the lower velocity load, and special attention should be paid on the pore pressure in the vicinity of the ground surface. The anisotropic parameters of a surface soil layer will have greater influence on the displacement and excess pore water pressure than those of the subsoil layer. The traditional design method taking ground soil as homogeneous isotropic soil is unsafe for the case of RE 1 and RG 1, so a transversely isotropic foundation model is of great significance to the design for high train velocities.     

列车引起的地基土应力状态变化的三维有限元分析

将列车移动荷载简化为多个移动轮轴荷载,基于列车-轨道-路基解析模型推求的列车运行时不同时刻、不同位置时作用于路基的振动荷载时程,采用多点输入方式实现列车荷载的移动施加方式,建立路(地)基-场地体系三维有限元动力分析模型,基于Abaqus软件的并行计算集群平台,对轨道交通振动荷载下路(地)基-场地体系的动力反应进行数值模拟,研究了列车荷载作用线正下方地基中的动应力特征及土单元应力状态变化,分析了列车轮轴荷载移动过程中不同深度处土单元的应力路径和主应力轴的旋转。     

Vibration analysis of pile-supported embankments under high-speed train passage

Soft ground improvement using piles has increasingly been used as a rapid construction technique for railway and highway embankments over soft soil areas. While most studies conducted so far have addressed only issues of stability and settlement of pile-supported embankments under static loading, very limited attention has been paid to understanding their behaviors under transient loading of moving vehicles. In this study, vibration behaviors of this embankment system under high-speed train passage are investigated through three-dimensional finite element simulation. They include (1) characteristics of the surface wave field at high train speeds, (2) the dependence of vibration amplitude on the train speed and the phenomenon of critical speed, and (3) response at some typical locations in the system when the train moves at the critical speed. The study shows that there are breaks in the simulated wave fronts as transiting between different materials due to the difference in the Rayleigh wave speed among the materials relative to the train speed, and that the increase in train speed is accompanied by the increase in phase shift between the train load and the displacement pattern beneath the load. It is shown that the critical speed of the system is governed by the embankment, instead of the soft soil as commonly observed in previous studies in which the ground is not improved. Namely the vibration amplitude is maximally amplified when the train speed approaches the characteristic Rayleigh wave speed of the embankment material. In addition, the results also suggest that the sloping surfaces on the ballast and embankment along with the piles form a ‘trapping’ effect by which most of the train-induced waves, especially higher-frequency waves, incident to the sloping surfaces are trapped and dissipated within the pile-supported embankment system, and thus significantly reducing vibration amplitudes outside the embankment.     

基于黏弹性边界的地震动输入方法和边界条件选择研究

针对地下工程抗震分析中边界条件和地震动输入方式选择问题,对一地下半无限体模型在一剪切波垂直入射条件下进行不同边界条件和不同地震动输入方法的算例试算。结果发现:两侧采用竖直向位移约束、底部采用黏弹性边界、并在模型底部用等效节点力输入地震动的方法,与三边均采用黏弹性边界条件和三边均采用等效节点荷载输入地震动的方法可以获得同样的结果。该方法易于在ANSYS中通过APDL编程实现,可为地下工程抗震分析中黏弹性边界的使用提供便利。     

车辆荷载对软土地区海底沉管隧道的影响分析

假定软土地区海底沉管隧道地基土为Kelvin模型,车辆荷载是随时间变化的波动荷载形式,引入黏弹性地基梁模型,利用模态叠加法给出三种情况下沉管隧道的竖向位移、弯矩和地基反力的解答。结合天津海河沉管隧道工程实例,分析车辆速度、地基土模量对沉管隧道竖向位移及弯矩的影响。研究结果表明:车辆荷载引起的管段中点振动振幅达5mm左右,振动周期为0.25s;引起的管段中点弯矩为15 500kN·m左右,且车速越大,管段振动一个周期所需时间越短,振动越剧烈,但对振动幅度及弯矩影响不大;地基土模量越大,振动幅度和弯矩越小,但对周期影响不大。     

交通荷载及其对紧邻基坑支护结构影响的现场实测分析

目前对交通荷载对深基坑围护结构的影响研究尚处于起步阶段。本文通过对某深基坑工程交通荷载以及交通荷载作用下深基坑围护结构振动加速度及桩后动土压力的现场实测研究,给出了坑边车辆荷载计算经验公式,并分析了车辆荷载大小、行驶速度等因素对基坑围护结构振动特性及动土压力的影响规律。结果表明:在地表面处,车辆荷载产生的振动以竖直向为主;车辆荷载的大小将直接影响围护结构振动加速度幅值及动土压力大小;车辆行驶速度不同,车辆振动产生的峰值加速度和土体惯性力也不同,从而使得基坑围护结构桩后动土压力也不同,车辆行驶速度越大,基坑围护结构振动峰值加速度及动土压力也越大;车辆交通荷载对基坑围护结构的影响将随着距离的增加而衰减。研究所得结果可供相关基坑工程设计施工参考。     

Full-scale model testing on a ballastless high-speed railway under simulated train moving loads

Model testing in laboratory, as an effective alternative to field measurement, provides valuable data to understand railway׳s dynamic behaviors under train moving loads. This paper presents comprehensive experimental results on track vibration and soil response of a ballastless high-speed railway from a full-scale model testing with simulated train moving loads at various speeds. A portion of a realistic ballastless railway comprising slab track, roadbed, subgrade, and subsoil was constructed in a larger steel box. A computer-controlled sequential loading system was developed to generate equivalent vertical loadings at the track structure for simulating the dynamic excitations due to train׳s movements. Comparisons with the field measurements show that the proposed model testing can accurately reproduce dynamic behaviors of the track structure and underlying soils under train moving loads. The attenuation characteristics of dynamic soil stresses in a ballastless slab track is found to have distinct differences from that in a ballasted track. The model testing results provide better understanding of the influence of dynamic soil–structure interaction and train speed on the response of track structure and soils.     

Vibration reduction analysis of new barriers in large model experiment

A large model box was developed in our experiment to study the vibration reduction effect. Five hydraulic high-performance actuators are arranged in the upper part of the model box. There is a time difference between adjacent actuators, which can simulate the train induced vibration. To reduce vibration a composite barrier is designed; the barrier consists of a honeycomb concrete canvas and PE polymer water bags. The concrete canvas can be mixed with water to produce a hydration reaction to form a structure with a certain hardness. By simulating different train speeds and loads, vertical vibration velocity, and acceleration before and after the barrier are compared and analyzed. The experimental results show that the new barrier can achieve a good vibration reduction effect. When the simulated train speed increases, the damping effect of the barrier is improved. At a speed of 180 km/h, an amplitude of 1.5 m after the barrier is found to be 48.6% lower than that before the barrier. Velocity decreases by 24.2% at 36 km/h and by 38.1% at 108 km/h.