兰州交通大学 兰州 730070
摘要：为了研究黄土地区高速铁路路堤对地面振动的影响，应用ANSYS (LS-DANY)软件建立高速铁路轨道-路基系统三维数值模拟动力学模型对不同高速铁路速度引起的地面振动进行了数值模拟分析。本文分析了250km/h车速下黄土路堤的地面振动的传播与衰减规律。结果表明距轨道中心线8.8m内，即路堤坡脚以内地面振动衰减迅速，路堤坡脚至30m衰减很缓慢，30m以后衰减极小几乎不衰减，并在在32m处出现了一定的振动“反弹”现象。研究结果对黄土地区环境振动特性分析提供了一定的参考。
关键词：高速铁路 地面振动 路堤 黄土
0引言
铁路振动不但影响沿线居民的正常生活与工作，还会对沿线建筑物的安全和精密仪器的正常使用造成影响。朱志辉、余志武等人建立车－桥－墩－桩－土耦合系统的三维有限元模型，认为地面振动强度与列车速度并不是不是线性递增的，而是与上部结构的振动有关。董国庆利用有限元数值软件对高速铁路高架桥段诱发的地面振动及地面隔振进行了研究。黄土地区高速铁路引起环境振动的研究比较少，因此针对黄土地区，开展高速铁路引起的环境振动现场实测和理论研究具有非常重要意义。
1列车引起环境振动传播特性
在研究高速铁路环境振动问题时，通常将将土体假设为各向同性的弹性介质体，把土体中传播的应力波简化作弹性波。振动荷载的能量以应力波的形式在土体中向四周各个方向传播。在土体中传播的振动波按照振动方向与传播方向的关系分为有三种剪切波（S波）、压缩波（P波）和表面波（R波）。R波又叫做Rayleigh波，和压缩波统称为体波。能量波在土体中的波速的计算公式：
2 车辆-轨道垂向力模型
2.1车辆模型计算参数
CRH2高速列车采用八节编组形式，计算模型参数如表1所示。
表1计算模型参数
2.2列车荷载的计算
本文列车荷载施加方式定点激振模式，每个扣件点上施加随时间变化的扣件力，每个扣件所施加的扣件力都是通过matlab软件编程计算取得，这样所施加的扣件力更为精确。计算得到列车以250km/h速度通过时单侧其中一个扣件支点反力。
3计算模型
3.1模型参数
本文采用大型有限元ANSYS来建立轨道-路基的模型进行动力分析。取路堤长度24.7m(约38个轨枕)，路堤高度3.5m，路堤边坡坡度1:1.5，模型沿垂直线路方向长50m。路基土体取密度取1450kg/m3，弹性模量取5.25MN/m2，泊松比0.35。
在ANSYS有限元模型中，用理想弹塑性材料（DP材料）模拟岩土介质。考虑边界的无限性，边界条件采用三维一致粘弹性边界条件。本文模型中列车荷载的加载方式采用在轨道板上施加扣件支点反力的定点激振的方式，这种加载方式与施加移动的轮轨垂向力加速度时程曲线基本相同，却解决了模型长度太大的问题。
3.2地面振动加速度传播
为研究黄土地区高速铁路的地面振动的传播与衰减规律，本文取黄土地基的基本参数，列车运行速度250km/h。
3.3地面振动加速度衰减规律分析
振动波在实际介质中的衰减主要由几何阻尼衰减和介质吸收衰减决定。几何阻尼衰减是指振动波由振源处向四周扩散时，参与振动的质点越来越多，振动总能量逐渐分散、转移，使得距离振源越远，振动强度越小的现象。仅考虑几何阻尼衰减时加速度衰减可由下式得出：
式中，a为地基土的材料衰减系数。
在实际的振动反应中，加速度随距离增大并不是单调减小的，在一些位置会发生振动反弹现象，这是因为振动波在地层间的重复反射叠加作用。
在相同车速下，地面振动的加速度幅值随距轨道中线越远，幅值越小，衰减的越快。加速度随距离衰减规律。
加度在距轨道中心线8.8m（路堤边坡坡脚处）内衰减最为迅速，8.8m到30m范围内衰减很缓慢，30m到40m衰减速度极为缓慢，加速度峰值也特别小，实际上30m以后加速度量级只有10-4。
4本文结论
本文通过ANSYS有限元软件建立轨道-路堤-地基系统的三维数值模型，得到结论如下：
（1）高速列车通过线路路堤范围内其加速度衰减较快，路堤范围外至30m，加速度衰减较为缓慢，30m以后加速衰减极小，几乎不衰减。
（2）加速度峰值曲线在32m处出现了一定的振动“反弹”现象。
（3）分析了列车速度为250km/h下黄土地基地面振动的传播和衰减规律，研究结果对黄土地区环境振动特性分析提供了一定的参考。
参考文献：
[1] 翟婉明.列车一轨道耦合动力学(第三版)[M].北京:科学出版社，2007.
[2] 夏禾.交通环境振动工程[M].北京:科学出版社， 2010.
[3] 张光明.高速铁路路基段地面振动响应研究[D].成都：西南交通大学，2014.
论文作者:白广明,王东,陈迁
论文发表刊物:《防护工程》2017年第35期
论文发表时间:2018/4/16
标签：路堤论文; 加速度论文; 黄土论文; 模型论文; 地面论文; 扣件论文; 列车论文; 《防护工程》2017年第35期论文;