高速鐵路連續(xù)屏障減振效果分析

劉 騰，雷曉燕

（華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心，江西南昌330013）

近年來(lái)隨著我國(guó)鐵路向高速、重載方向的快速發(fā)展，由此而帶來(lái)的沿線環(huán)境振動(dòng)問題日益嚴(yán)重，特別是一些既有線路的提速，以及重載貨物列車的投入使用，進(jìn)一步加劇了沿線環(huán)境振動(dòng)的影響。國(guó)際上已把環(huán)境振動(dòng)列入國(guó)際七大公害之一［1］，并已開始著手研究振動(dòng)污染規(guī)律、振動(dòng)產(chǎn)生的原因、傳播路徑與控制方法以及對(duì)人體的危害等問題。

關(guān)于軌道交通系統(tǒng)誘發(fā)的環(huán)境振動(dòng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用各種方法進(jìn)行了大量研究。雷曉燕和圣小珍［2］通過(guò)改進(jìn)車輛、軌道結(jié)構(gòu)等措施來(lái)分析減振效果，從其研究成果來(lái)看，結(jié)合具體工程狀況，通過(guò)有效措施控制振動(dòng)能量和噪聲的主頻范圍來(lái)到達(dá)減振降噪的效果。Kani和Hayakawa［3］將高架橋沿線的管樁作為屏障隔振來(lái)研究，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果和有限元方法，驗(yàn)證了管樁隔振措施不管對(duì)地表還是大地內(nèi)部都具有減振效果。高廣運(yùn)［4］和蔡袁強(qiáng)［5］在屏障減振措施上做了大量的理論和數(shù)值研究，得出不同屏障形式在飽和土體和非飽和土體中的隔振效率。Takemiya［6］分別用邊界元法和有限元法分析了波阻板（WIB）屏障的隔振效果。Peplow［7］通過(guò)邊界積分方程方法，分析了雙層地基WIB屏障的隔振效果。

1 移動(dòng)荷載的模擬

采用傅里葉變換的方法求解軌道結(jié)構(gòu)連續(xù)彈性三層梁模型得到路基面上的動(dòng)荷載［8-9］，模型如圖1所示，第一層梁為鋼軌，簡(jiǎn)化為連續(xù)支撐的歐拉梁，第二、三層分別為軌枕和道床，簡(jiǎn)化為離散質(zhì)量結(jié)構(gòu)，則其振動(dòng)微分方程如式（1）～式（3）。其中車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)采用和諧號(hào)高速動(dòng)車CRH3參數(shù)，軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)采用博格板式軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)，軌道不平順模擬采用美國(guó)六級(jí)譜，求解得到路基動(dòng)荷載如圖2所示。

式中：w，z和y分別為鋼軌、軌枕和道床豎向撓度；mr，mt和mb分別為單位長(zhǎng)度的鋼軌質(zhì)量、軌枕質(zhì)量和道床質(zhì)量；kp，kb和ks分別為單位長(zhǎng)度軌枕墊板和扣件剛度、道床剛度和路基等效剛度；cr，cb和cs分別為單位長(zhǎng)度軌枕墊板和扣件阻尼、道床阻尼和路基等效阻尼；δ為Dirac函數(shù)；v為列車行駛速度；Fl為第l個(gè)輪載；t=0 時(shí)輪載至原點(diǎn)的距離為al；輪載總數(shù)為M；軌道隨機(jī)不平順值是η(x=vt)。

圖1 軌道結(jié)構(gòu)三層梁模型Fig.1 Three elastic layers of track structure

圖2 v=200 km·h-1時(shí)路基荷載時(shí)程Fig.2 The subgrade dynamical load changing with time(train speed=200 km·h-1)

2 計(jì)算模型及材料參數(shù)

采用大型通用有限元軟件ANSYS 建立路基—大地耦合模型，邊界處理采用三維一致黏彈性人工邊界條件［10-11］，具體的三維模型尺寸見圖3。寬度為80 m、長(zhǎng)度為80 m、深度為65.5 m。選取的單元都為solide45，土層和路基參數(shù)選取如表1 所示，則單元尺寸沿深度方向其每層土的單元尺寸依次為：1，1.5，1.5，2.5 m；長(zhǎng)度和寬度方向取為2 m。時(shí)間步長(zhǎng)選為0.005 s。

圖3 大地有限元模型Fig.3 The finite element model of ground

表1 模型參數(shù)Tab.1 Model parameters

3 計(jì)算結(jié)果及分析

按照我國(guó)的城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)GB10070-1988規(guī)定，采用ISO2631的1/3倍頻的計(jì)算方法，得出地面振動(dòng)加速度級(jí)（簡(jiǎn)稱振級(jí)）。振動(dòng)加速度級(jí)La是根據(jù)各中心頻率的有效值按照下面公式計(jì)算得到：

式中：La為振動(dòng)加速度級(jí)，dB；a0為基準(zhǔn)加速度，取值為10-6m·s-2；a為振動(dòng)加速度有效值，m·s-2；af表示頻率為f的振動(dòng)加速度有效值，m·s-2；cf為振動(dòng)加速度對(duì)應(yīng)不同頻率的感覺修正值［12-13］。

3.1 空溝隔振效果分析

考慮CRH3列車行駛速度為200 km·h-1時(shí)引起的大地振動(dòng)，將固定寬度為2 m的空溝分別設(shè)在距軌道中心線14 m處和18 m處，得出深度分別為2，5，8 m和10 m溝屏障的減振效果。

圖4 不同的屏障深度，最大Z振級(jí)隨距離變化情況Fig.4 The maximum Z weighted vibration acceleration level changing with distances under different depths of barriers

由圖4可知：

1）當(dāng)不設(shè)置屏障時(shí)，最大Z振級(jí)曲線平緩的下降，說(shuō)明高速列車引起的環(huán)境振動(dòng)級(jí)是隨距軌道中心線距離的增加成逐漸下降的趨勢(shì)；當(dāng)設(shè)置屏障時(shí)，最大Z振級(jí)曲線明顯下降，主要是屏障起到阻隔振動(dòng)波的傳遞效果。

2）對(duì)于深2 m的屏障，其隔振效果值在1 dB左右；深5 m的屏障其隔振效果值在2.5 dB左右；深8 m的屏障其隔振效果值在4 dB左右；深10 m的屏障其隔振效果值在4～5 dB之間。說(shuō)明空溝隔振的效果是隨溝深的增加而增加，但深度增加到一定時(shí)，繼續(xù)增加屏障深度其隔振效果并不會(huì)明顯增加。

3.2 填充溝隔振效果分析

考慮CRH3列車行駛速度為200 km·h-1時(shí)引起的大地振動(dòng)，將固定寬度為2 m的混凝土填充溝設(shè)在距軌道中心線14 m處，得出深度分別為5，10 m和15 m溝屏障的減振效果。

從圖5可以看出：

1）當(dāng)混凝土填充溝設(shè)置在距軌道中心線14 m處時(shí)，其隔振效果是隨溝深的增加而增加；各考察點(diǎn)隨距軌道中心線距離的變化，不同屏障深度的隔振效果基本上都是隨距離的增加其隔振效果逐漸減弱。

2）從減振值圖來(lái)看，對(duì)于深5 m的屏障，在距軌道中心線20～40 m范圍內(nèi)，其隔振效果值平均在1 dB左右，40 m以上范圍內(nèi)，其減振值遞減到0.5 dB左右；深10 m的屏障在距軌道中心線20～40 m范圍內(nèi)，其隔振效果值平均在2.5 dB左右，40 m以上范圍內(nèi)，其減振值遞減到1 dB左右；深15 m的屏障在距軌道中心線20～40 m范圍內(nèi)，其隔振效果值平均在4 dB左右，40 m以上范圍內(nèi)，其減振值遞減到1.5 dB左右。

考慮CRH3列車行駛速度為200 km·h-1時(shí)引起的大地振動(dòng)，將固定深度為10 m的混凝土填充溝設(shè)在距軌道中心線14 m處，得出溝寬分別為2，4 m和6 m溝屏障的減振效果。

從圖6可以看出：混凝土填充溝設(shè)置在距軌道中心線14 m處時(shí)，溝寬的增加對(duì)其隔振效果的改善并不明顯，所以一般我們?cè)O(shè)置屏障隔振時(shí)，首先應(yīng)確定屏障的寬度，再考慮屏障其它關(guān)鍵因素，來(lái)達(dá)到屏障的最理想隔振效果。

圖5 不同的屏障深度，最大Z振級(jí)隨距離變化情況Fig.5 The maximum Z weighted vibration acceleration level changing under distances under different depths of barriers

3.3 填充材料隔振效果分析

為了比較不同填充材料的隔振效果（見表2），考慮CRH3列車行駛速度為200 km·h-1時(shí)引起的大地振動(dòng)，填充溝位置設(shè)置在距軌道中心線14 m處，其溝深10 m，溝寬為2 m。

表2 填充材料屬性Tab.2 Filling material attributes

由圖7可知，不同材料的減振效果，空溝的減振效果最好，泡沫、橡膠次之，混凝土隔振效果良好，細(xì)砂材質(zhì)其減振效果值并不明顯；說(shuō)明填充溝材料的阻抗與土體的阻抗比值相差越大，其隔振效果就越好，反而與土介質(zhì)屬性比較接近的砂石，其隔振效果不理想。

圖6 不同的屏障寬度，最大Z振級(jí)隨距離變化情況Fig.6 The maximum Z weighted vibration acceleration level changing with distances under different widths of barriers

圖7 不同的屏障填充材料，最大Z振級(jí)隨距離變化情況Fig.7 The maximum Z weighted vibration acceleration level changing with distances under different material barriers

4 結(jié)論

1）屏障隔振的效果是隨屏障深度的增加而增加，但當(dāng)屏障增加到一定時(shí)，即一倍瑞利波波長(zhǎng)時(shí)，繼續(xù)增加屏障深度，其隔振效果不會(huì)明顯增加。

2）溝寬對(duì)屏障的隔振效果次于深度、位置對(duì)屏障的影響，則設(shè)計(jì)合理的屏障尺寸時(shí)，一般應(yīng)先確定屏障的寬度。

3）填充溝屏障材料的選取對(duì)隔振效果至關(guān)重要，理想上選擇波阻抗比系數(shù)遠(yuǎn)大于1或者遠(yuǎn)小于1的材料，對(duì)大地振動(dòng)能量的阻隔越有效。

［1］高廣運(yùn)，孫雨明，吳世明.鐵路產(chǎn)生的地面振動(dòng)與減振［M］//李永盛，高廣運(yùn).環(huán)境巖土工程理論與實(shí)踐.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2002：64-72.

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