简谐移动荷载下轨道结构响应研究

为了分析简谐移动荷载所导致的粘弹性地基上无限长轨道的振动传播现象,在随荷载移动的动态坐标系下联立轨道的横向振动微分方程,引入边界条件得到瞬态响应的解析表达式,分析梁在不同激振频率和运行速度作用下的轨道结构瞬态反应。结果表明:轨道结构存在临界速度。如果荷载运行速度小于最小临界速度,那么振动只在移动荷载处出现。如果荷载运行速度处于非零最小临界速度附近,轨道结构运动剧烈。如果荷载速度超过最小临界速度时,振动则可以波及整个结构。     

不同荷载速度下弹性土体中排桩的隔振效果分析

利用Muki和Sternberg的虚拟桩法,分析了不同荷载速度下弹性土体地基中排桩对移动荷载引起振动的被动隔振效果。首先由积分变换推导弹性土体表面受移动荷载的自由波场解、内部受圆形均布简谐荷载作用下的基本解,再根据基本解与桩土变形协调条件,建立了频域内土—桩的第二类Fredholm积分方程。最后通过求解积分方程与相应的积分逆变换得到时间域内评价隔振效果的振幅比。通过与已知文献结果比较,验证本文方法的正确性。数值结果表明:荷载速度对排桩的隔振效果有一定影响:当移动荷载小于土体的剪切波速时,随荷载速度增加排桩的隔振效果会降低,然而当荷载速度大于土体的剪切波速后,部分区域的隔振效果较好。     

地铁列车荷载作用下轨道系统及饱和土体动力响应分析

 为研究地铁列车运行引起的轨道系统及饱和土体动力响应问题,建立了地铁列车–轨道结构–衬砌–饱和土体耦合分析模型,其中列车荷载用一系列符合列车几何尺寸的移动常荷载或移动简谐荷载模拟,轨道结构中的钢轨和浮置板简化为无限长弹性Euler梁。基于弹性理论和Biot多孔介质理论,采用2.5维有限元法分别模拟衬砌和饱和土体,结合轨道与衬砌仰拱处的力和位移连续条件,实现浮置板轨道系统与衬砌及周围饱和土体的耦合,并通过快速Fourier逆变换(IFFT)进行波数展开获得三维时域–空间域内的动力响应。研究结果表明,随着常荷载移动速度和移动简谐荷载自振频率的提高,地表振动水平显著增大;移动常荷载产生的地表响应最大值在荷载正上方,其空间衰减率保持恒定;移动简谐荷载产生的地基振动大于移动常荷载产生的地基振动,响应最大值在列车运行线路两侧一定范围内;在移动简谐荷载作用下,钢轨速度谱与地表速度谱分布在以简谐荷载自振频率为中心的一段范围内。     

移动荷载作用下横观各向同性层状地基–薄板结构动力响应半解析研究

为研究各向异性和动载参数对层状地基–薄板结构动力响应的影响规律,在已有各向异性弹性动力学理论的基础上,利用积分变换及矩阵分析理论,获得移动矩形简谐荷载作用下横观各向同性层状地基–薄板(无限大)结构的稳态动力响应半解析解答。通过对比既有算例所得结果,验证半解析解的准确性,进而对板体位移动力响应进行参数分析。结果表明:各向同性、横观各向同性假设下的计算结果存在较大差异。移动荷载较静载使板体位移幅值不对称分布,且存在临界速度使荷载作用区域幅值最大。荷载激振频率增大会减小板体竖向位移的响应范围。第一层地基的各向异性水平相较其余层对板体位移影响较大,增大其n值(水平、竖直弹性模量比)可改善板体在动力作用下的位移响应分布特征。     

地表移动荷载对既有地下隧洞动力影响解析研究

为获得地表移动荷载对地下隧洞的动力影响,首次给出了地表移动荷载作用下半空间隧洞动力响应解析解。地表移动荷载采用移动简谐荷载模拟,含隧洞半空间地基通过各向同性弹性介质模拟。基于弹性地基控制方程在直角坐标系和柱坐标系下基本解及平面与柱面波函数波形转换,结合地基表面和隧洞柱面施加边界条件,在频域中求得移动荷载下半空间弹性地基与隧洞解析解答,并结合快速Fourier逆变换求得隧洞时域动力响应。利用本解析模型,可计算获得地面移动荷载引起的地下隧洞振动影响,通过与已有研究对比,对本模型正确性进行验证。计算分析了不同荷载移动速度与隧洞埋深下,隧洞表面位移、加速度和地基中动应力响应。研究表明,随着荷载移动速度增加,隧道拱顶地基中动应力与振动加速度均显著增加。地基中动应力随隧道埋深增加迅速衰减,隧洞加速度随埋深衰减相对较慢,但当隧洞埋深超过某一临界深度时,隧洞振动可低于我国规范规定限值。在低速范围,隧洞临界深度随荷载速度线性增加,但当荷载速度超过一定值,隧洞临界深度随着荷载速度呈指数型增长。     

水平动荷载作用下海洋大直径管桩动力响应解析解

考虑桩–土–流体耦合振动,研究了谐和激振水平动荷载作用下的海洋大直径管桩振动响应问题.将桩周和桩芯海水考虑为无黏性不可压缩流体建立其控制方程求得海水速度势解析表达式,继而得到作用于桩身动水压力表达式.将土体看作黏弹性介质建立桩周土和桩芯土控制方程,对土体方程直接解耦求解,得到桩周土和桩芯土位移和抗力表达式.利用桩–土体...     

移动荷载引起的土变形计算

讨论了移动荷载作用下地基土的变形问题 ,推导了不同荷载形式下地基土的变形计算公式 ,并以矩形荷载为例 ,比较了轨道、荷载自振频率、荷载移动速度、地基土模型等不同因素对地基土变形的影响。该方法可用于轨道系统引起的环境振动评价。     

无砟轨道X形桩–筏复合地基动土压力分布规律试验研究

基于1∶5的轨道–路基–桩筏复合地基模型,采用能够近似模拟列车单个轮轴荷载的正弦波荷载,在砂土地基中通过开展不同激振频率下无砟轨道X形桩–筏复合地基的动力特性模型试验,研究不同激振频率引起的轨道–路基–桩筏复合地基中的速度和动土压力,测得了速度响应、动土压力随深度和激振频率的变化规律。研究结果表明:在路堤横截面方向上,振动响应主要集中在轨道–路基结构中,基床表层中的动土压力在路堤横截面方向呈"W"形分布,地基表面的动土压力呈"U"形分布。基床表层中的动土压力荷载放大系数随激振频率的增加而逐渐增加。相关研究成果可为无砟轨道X形桩–筏复合地基的理论分析与计算以及动力荷载放大系数的确定提供参考依据。     

基于解析层元法的成层半平面地基移动荷载动力响应研究

解析层元法具有较高的计算效率和数值稳定性,为此基于解析层元法研究移动荷载作用下层状各向同性地基的平面应变动力响应问题。假定研究坐标系随移动荷载同步移动,移动荷载相对于移动坐标系处于相对静止状态,从而将移动荷载作用下的动力问题转化为准静态问题。结合移动坐标系下的控制方程和傅里叶变换方法,推导出单层有限厚度和半空间土体在傅里叶变换域内的解析层元。根据有限层法原理组装各土层的解析层元得到总刚度矩阵,再结合边界条件求解总刚度矩阵方程在积分变换域内的解。然后,利用傅里叶积分逆变换将变换域内的解答转换为物理域内的解。最后,通过算例验证本文理论的正确性,并分析荷载移动速度、荷载作用深度、成层性及地基加固厚度与加固效果等对成层地基动力响应的影响。研究表明:地基的竖向位移和竖向应力随荷载移动速度的提高而不断增大,当移动速度接近土体的剪切波速时,地基竖向位移和竖向应力均迅速增加;移动荷载作用下地基的成层性对土体的竖向位移有较大的影响,且主要受地基表层土体性质的影响;表层土体的加固对减小地基沉降有显著效果,随着加固效果的增加,地表沉降的减小量逐渐降低。     

移动荷载下弹性半空间地基上矩形薄板的动力响应解析研究

基于三维弹性理论,先对位移表示的地基动力方程进行Laplace变换,再进行双重傅里叶变换,获得直角坐标系下弹性半空间地基受任意竖向动荷载作用下的Laplace变换域中的位移解析表达式;然后对地基上有限大矩形薄板的边值问题进行Laplace变换,并求得地基板的Laplace变换域中的含有未知地基反力的挠度解析解;最后结合板与地基的变形协调方程,完全求得弹性半空间地基板在移动荷载作用下的Laplace变换域中的解析解。在此基础上,利用Laplace数值逆变换得到地基板时间域内的动力响应。算例结果表明本文的研究方法是切实可行的。用该文方法可精确分析地基板在任意移动载荷作用下的动力特性。     

参数化分析列车运行产生的路堤–地基振动

 为预测和分析高速列车运行产生的轨道和路堤振动及波动在沿线周围地基中的传播，利用2.5维有限元方法建立了轨道、路堤和下卧层地基在移动荷载作用下的动力耦合分析模型及无路堤情况下的轨道地基模型，求解三维地基的动力响应。对高速或低速运行的列车多轮重荷载产生的路堤和地基振动进行对比分析。通过参数化分析明确轨道刚度、路堤高度、地基土的剪切波速及阻尼系数、列车速度和振动频率等参数对地基振动和传播特性的影响。给出的方法和结论可用于分析软土地基上运行高速列车时的稳定性问题和评估列车运行对周围环境的振动影响。     

桩与滞回阻尼土相互作用时桩基扭转振动时域响应分析

考虑桩土相互作用效应,对均质滞回材料阻尼土中弹性支承桩桩顶扭转振动时域响应进行解析理论研究。首先建立桩与滞回阻尼土在谐和振动条件下的定解问题,然后先对土层动力平衡方程进行求解并得到土体振动扭转角形式解,接着依据平衡条件将该形式解耦合进桩身动力平衡方程,并通过对桩动力平衡方程的求解,最终得到桩顶扭转角和速度频率响应解析解和半正弦脉冲激励作用下桩顶速度时域响应的半解析解。通过与其他相关理论解的对比验证该解的正确性和适应性,并对桩土相互作用时桩顶扭转振动时域特性进行分析,重点探讨桩周土滞回阻尼、长径比、模量等常规参数对桩顶时域响应的影响,得到若干结论。     

Interaction between inclined pile groups subjected to harmonic vibrations

Vertical and inclined piles are used in seismic areas where they could be subjected to oblique harmonic vibration loads. The effect of closely spaced battered piles on the pile–soil–pile interaction has not yet been fully recognized. A simple analytical method, based on the elasto-dynamic theory by Novak and his associates, is used in the present study to characterize vertical and inclined isolated cylindrical piles subjected to inclined harmonic vibrations. The free field movement of the ground in the vicinity of the piles is determined using an approximate approach based on the interference of the cylindrical wave field originating along each pile shaft and spreading radially outward. In calculating the interaction factor between two battered piles, an analysis has been carried out to demonstrate the effect of the presence of a neighboring pile (receiver) while the first pile (source) is loaded. In this situation, it has been found that the movement of the source pile head is decreased when a receiver pile is present. Also, the effects of the pile–pile distance, the group geometry, the length of the piles, and the inclined angle for each or all of the piles have been studied and the corresponding results will be presented.     

基于现场测试的列车引起地基振动分析

 对秦沈客运专线列车引起地基振动进行现场测试,通过对实测数据的时频分析,得到一个由轨道不平顺引起的基频。推导考虑轨道不平顺条件下列车动荷载的简化解析解,基于波数有限元理论推导动荷载作用下地基动力响应的柔度矩阵。以现场实测数据为依据,建立列车–轨道–地基振动模型,以推导的列车荷载为输入,计算轨道不平顺条件下列车运行引起的地基振动。分析不平顺幅值、波长以及车速对动态轮轨力的影响;研究层状地基上多轮荷载作用产生的动力响应,讨论车速变化对地基振动的影响。研究结果表明：所提出计算模型可以高效地预测轨道不平顺引起的地基振动;不平顺波长与列车运行速度一定时,轨道不平顺幅值越大,地基振动响应和轮轨作用力越大;不平顺幅值与列车运行速度一定时,不平顺波长越长,地基振动加速度和动态轮轨作用力越小;轨道不平顺波长与不平顺幅值一定时,车速越大振动加速度越大。     

考虑土体三维波动效应时黏性阻尼土中桩的纵向振动特性及其应用研究

从三维轴对称土体模型出发,考虑土体三维波动效应,对黏弹性支承桩在任意竖向激振力作用下与土体的耦合作用特性进行了研究。假定桩为竖直、弹性、等截面体,土为线性黏弹性体,其材料阻尼为黏性阻尼。利用拉普拉斯变换,将定解问题转换到拉普拉斯域内求解。通过引入势函数,将土体位移进行分解,从而将土体动力平衡方程进行解耦,求解得到土体的振动模态形式,再利用该解,以小应变条件下桩土接触面上力平衡和位移连续条件来考虑桩土耦合作用,求解桩的动力平衡方程,得到拉普拉斯域内桩的位移函数解析解,进而可得到桩顶速度导纳函数解析解,采用卷积定理和傅里叶逆变换,求得了半正弦脉冲激振力作用下桩顶速度时域响应半解析解。基于所得解对速度导纳曲线和速度反射波曲线进行了量纲一的参数讨论,以揭示桩的纵向振动特性,为基桩动测提供理论和实践上的指导。     

基于2.5维有限元法分析横观各向同性地基上列车运行引起的地面振动

 根据2.5维有限元原理,从横观各向同性土体弹性本构方程出发,推导出横观各向同性土体2.5维有限元弹性波动方程。轨道简化成铺设在横观各向同性地基上的Euler梁。在轨道方向的垂直截面上,将轨道结构和地基进行有限元离散,采用八节点单元,每个节点包含3个自由度,从而使复杂的三维问题转化为平面应变问题,再通过FFT逆变换转换为沿轨道方向三维空间中的时域振动响应。分别基于上海和北京地区的典型土质参数,进行场地动力响应分析。结果表明：列车运行引起的北京地区场地的加速度响应幅值及位移响应幅值均分别大于上海地区场地的加速度响应幅值及位移响应幅值;随着距轨道中心处距离的增加,两地区土体的动力响应频率均衰减到简谐荷载的自振频率周围,反映出横观各向同性土体的滤波作用;应力波在软土层中传播所消耗的能量大于在硬土层中传播;列车运行引起的地面振动衰减曲线会出现反弹增大的现象,其反弹特性及出现的位置与地基土体参数及列车运行速度密切相关。     

上覆弹性板双层地基在移动荷载作用下的动力响应

 用Fourier变换及逆变换对移动荷载作用下路基路面系统的动力响应问题进行研究。考虑路基路面相互作用,假设一条形移动荷载作用在路面板的表面,地基以地下水位面为分界面分为双层,水位面以上为单相弹性土层,以下为饱和土层。考虑地基土层厚度有限,利用Lame对位移场的分解理论,引入势函数,并运用Fourier变换分别对弹性土层和饱和土层进行分析。在Fourier变换域内,结合边界条件,联立路面板、弹性土层和饱和土层的运动方程,得到土体竖向位移、应力和饱和土层内孔隙水压力的表达式;同时利用离散Fourier逆变换得到数值计算结果。计算结果表明,荷载速度、频率,饱和土层的渗透系数对地表竖向位移的影响很大;弹性土层厚度对竖向位移的影响依赖于荷载速度;弹性土层厚度以及弹性土层和饱和土层的相对刚度比对孔隙水压力有非常明显的影响。     

刚性路面在运动车辆作用下的动力响应

针对运动车辆引起的路面结构动力问题,采用移动荷载作用下Kelvin地基上无限大Kirchhoff薄板为力学分析模型,分析了运动车辆作用下刚性路面的动力响应。首先采用积分变换法推导了板挠度的Green函数,并通过Duhamel积分求得各种移动荷载模式作用下板稳态挠度的二维积分解析解,包括恒常和简谐移动点源、线源和面源荷载。然后采用自适应数值积分算法计算解析解中的二维无穷积分,得到了板稳态挠度的数值结果。最后对速度和阻尼等对板稳态挠度的最大值和空间分布的影响进行分析,得到了荷载临界速度,发现了板动力响应的特性和规律。