高速列车振动对沿线居民的影响及应对措施

2018-10-14 00:50:59  微科普
本文作者:同济大学 上海交通大学

高速列车振动对沿线居民的影响及应对措施

2018-10-14 00:50:59
作者:同济大学 上海交通大学
来源:微科普
字号:A+  A-
我国已建成“四纵四横”的高铁网,成为世界上高速铁路运营里程最长、运营速度最快、在建规模最大的国家。高速铁路的快速发展极大方便了人们出行、推动了我国经济发展,但与此同时,带来不可忽视的问题,其中之一就是列车运行引起周围环境的振动问题,环境振动将影响人体健康、房屋损伤和精密仪器的使用等,如图1。特别对于我国东部沿海区域高铁线路密集,软土地基(波动传播速度较小)分布广泛,列车速度接近或超过路基土体的波动传播速度时,列车运行产生的振动会成倍放大。那么,如何减小列车高速运行对周围环境的影响呢?首先需要了解列车高速运行时振动波是如何产生的,如何通过路基和场地传播,有哪些振动传播规律,然后才能采取合理的措施减小振动对周围环境的影响。
高速列车振动对沿线居民的影响及应对措施
(1)振动产生的三要素
振动的产生实际上即为振动波的传播过程,如图1所示,产生振动的三要素包括:振源(列车-轨道)、传播介质(路基系统和周围场地)、受振体(建筑物)。列车高速运行过程中与轨道之间不断地碰撞接触产生振动,即为轮轨接触作用,使轨道结构产生振动波,形成振源,向下(路基结构)传播。随后振动在经过传播介质(即路基和地基土体)向四周传播,由于土体的分层作用,振动波在传播过程不断发生反射、折射和衍射等作用,最终到达建筑物。振动波通过基础-柱-梁-板向上传播,从而损坏建筑物或影响建筑中居民的工作生活。可见,要减小列车高速运行对周围环境的影响,了解振动波在路基结构以及地基土体中的传播规律至关重要。
(2)高速铁路运行引起的振动波在路基中的传播规律
为了解振动波在路基结构中的传播规律,我们可以做个模型试验,如图2所示,在模型槽中做个轨道-路基结构缩尺模型,利用作动器模拟列车荷载,通过测试轨道和路基结构不同位置处的动力响应,获得振动波在轨道-路基结构中的振动传播规律。为了更真实的重现高铁轨道-路基结构,需要对其深入了解。我国高速铁路采用无砟轨道板,路面整洁,而不像普速铁路铺设大大小小的碎石(即道砟),这是为什么呢?因为高铁采用无缝钢轨,消除了以往钢轨间接头的冲击力,减小了振动,使列车运营时速高达350km/h,如此高速将产生很强的振动气流,引起的风会卷起碎石,从而威胁列车安全。无砟轨道结构形式,就像三层结构的奥利奥,无砟轨道板和支承层是它两边的韧性饼干,CA砂浆层填充层是夹在中间的乳脂奶油(如图2所示)。这种夹心式整体结构形式使得轨道结构具有较高的强度、承载能力和稳定性,从而更好的吸收和分散上部列车传递的高频振动能量。而高铁路基结构为层状结构,一般分为基床表层和基床底层(如图2所示)。基床表层作为轨道结构的直接承载层,直接承受上部剧烈振动作用,需要较高的强度、稳定性和减振能力,故采用级配碎石强化结构。基床底层承受基床表层扩散列车动荷载的承载结构,同时传递上部传来的振动能量,选用符合标准的填料或经改良过的土。路基结构的以上形式具有衰减上部能量的特点,但是振动波能量在轨道和路基中的衰减规律如何呢?通过一系列振动试验可以发现一些有意义的结论,其中,(加)速度传感器的布置如图3所示。
高速列车振动对沿线居民的影响及应对措施
通过进行动力模型试验发现,如图4所示,路基竖向加速度幅值随路基深度的增加而呈递减的趋势,基床底层以上的衰减速度远远高于路堤层。频率从1Hz增大到20Hz时,各点竖向加速度峰值也在逐渐增大,系统自振频率为21Hz,在21-25Hz频率范围是下降段,故25Hz各点竖向加速度数值小于20Hz情况,之后缓慢上升。由此可见,高频振动波在路基中衰减迅速,远大于低频振动波在路基中的衰减速度。

>高速列车振动对沿线居民的影响及应对措施相关科普知识