试验振动分析
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体积18日,数量8, 2017年
试验振动分析
货号 803
数量的页面(年代) 11
DOI https://doi.org/10.1051/meca/2017043
网上发布 2018年3月21日

©AFM, EDP Sciences 2017

1介绍

铁路网络是一种有趣的交通方式,它们大大缓解了交通拥堵和污染。然而,铁路也有一些缺点,特别是噪声和振动方面的问题。为了减少车辆产生的振动,提高乘客的舒适度,已经做出了相当大的努力,但地面振动问题也必须得到解决[1]。在越来越多的情况下,震动对建筑物结构破坏和建筑物内人员的影响不能再被忽视[2]。如在[3.,需要大量的财政支持来解决国家铁路网络的振动问题(例如,需要12亿欧元来降低瑞士国家铁路的过高振动水平)。铁路振动面临的一yabo亚博个主要问题是,全球铁路基础设施持续增长[4]。因此,许多环境问题都是有效的,包括在城市地区的yabo亚博地面振动,需要广泛努力来准确预测振动水平和了解人类对振动的感知[5]。

对铁路引起的地面振动进行了大量的研究,重点是高速列车对环境的影响。这是由车辆速度接近瑞利地波速度时出现的一种物理现象(超临界现象)引起的。后者取决于土壤的柔韧性,可能接近传统高速线路的车速[6]。尽管软土下的这些线产生了很大的振动水平,距离d轨道与邻近结构之间的振动相对较大,振动衰减迅速。在铁路交通的情况下,衰减与形式的幂次定律有关d,在那里介于0.5至1.1之间,视乎土壤结构而定[7]。在城市地区,局部缺陷是铁路轨道动力激励的重要来源,并产生不同的衰减规律,耦合于相对非均匀复杂的土壤介质。此外,局部缺陷的存在导致局部振动升高(动力效应)[8]。最近,一些研究集中于车辆对环境的影响(RIVAS计划)[9]、CarboVibes计划[10])。然而,很明显,城市地区并没有得到深入的研究,尽管事实上,与其他铁路网相比,城市地区收到了更多的投诉。最具挑战性的方面是开发处理这些地区的模型或预测工具,因为对分析城市环境中局部缺陷(如开关、轨道接头等)对地面振动的影响的研究明显缺乏。

铁路对环境的负面影响主要分为两类:铁轨周围地区的地面振动,这是由火车通过引起的;车轮在铁轨上滚动产生的噪音。通过考虑和分析列车动力学对轨道和土壤响应的影响,最近的突破集中在车辆与其周围环境之间的相互作用[11]。在铁路网设计的早期阶段,通常使用经验方法来评估振动,如美国交通部联邦铁路局的详细振动评估程序[12]或作为Crispino和D'Apuzzo为文物建筑提出的经验计算程序[13]。大型评估方法也值得关注,因为它可迅速评估为保护建筑文化遗产而采取的缓解措施的实施和核实工作。[14]。铁路网络超载会造成经济损失,因为现有线路无法承受一定的交通负荷,而且交通流量越大,铁路磨损就越严重[15]。以新轨道取代现有轨道将能够承担所需的交通负荷,一般不会考虑经济原因。相反,对于旧轨道,减少列车产生的冲击力更有效。Vogiatzis和Kouroussis研究了浮动板轨道解决方案,然后在交叉位置评估,确保完全的地面振动衰减[16]。混合方法,结合实验和数值数据,提供了一种有效的方法,提供了一种多功能工具,以忠实地预测城市案例中的车辆/轨道的相互作用。Auersch提出将数值地波模型与实验力谱相结合,以实际预测铁路诱发的地面振动[17]。Verbraken等人利用解析力密度和实验传线动能计算了地面振动,描述了振动的传递,并包括了当地地质对波传播的影响[18]。其他确定范围的方法也可采用神经网络方法与数值模型相结合的方法,该数值模型根据速度分贝预测振动水平,考虑到土壤性质和多层地层[19,20.]。

传统列车和货运列车的主要励磁源都是轮轨接触,并且在两部分都存在奇异缺陷。车轮平板、轨缝或轧件是最常见的局部缺陷之一。平板车主要是在列车剧烈使用制动系统和车轮在轨道上滑动时生产的。摘要铁路接缝是城市轨道交通网设计中不可避免的单一轨道缺陷,是城市轨道交通中经常遇到的问题。这种缺陷在列车和轨道上都会产生较大的周期性输入力[21]。铁路局部不规范的情况日益成为地面振动的来源,而有关的地面振动水平对铁路缺陷的高度、长度和形状极为敏感[22]。

本文的目的是评估住在线附近的邻居所感受到的地面振动。其主要独创性在于仅采用现场试验,以便比较每个研究场地的动力放大。讨论了点源和线源激励的基本假设。介绍了轨道与土壤间传递流动的实验测定方法,包括测量技术和步骤。在接下来的部分中,对布鲁塞尔有轨电车和雅典地铁的振动测量数据进行了回顾和收集。然后将对结果进行研究,以得出一些有用的结论。

2问题陈述

铁路附近的地面振动是由列车动力载荷引起的,它取决于列车与轨道之间相互作用的性质。在轨道配线分布不均匀的情况下,振动主要由准静态轨道挠度引起,轮对与钢轨之间的动力相互作用使振动放大。由于沿方向的轨迹不变性x时,假设轮对的影响j在轨道/土壤系统上的定义为(1)在哪里fk力是通过的吗k每个距离的睡眠接口l有规律的间隔睡眠。在距离轨道若干距离处产生的振动是各力作用的总和fk在邻近地区(图1一个而常称为线源振动。在实际中,作用在远离感受器的枕木上的力对产生的振动水平的影响可以忽略不计,因此可以写成方程(1)就在实践中(2)可避免外力在预定距离范围外的影响(最近的数值模拟显示,长度为50-60米的有限轨道部分可取得令人满意的结果[23,24])。

在局部缺陷的情况下,当列车行驶在车轮或轨道的不平顺处时,铁路沿线的地面振动是列车与轨道相互作用的结果。虽然车轮表面奇异缺陷的情况是特殊的(如车轮平面作为动力激励引起一系列周期冲击,因此需要强轮轨耦合[8]),轨上的其他奇异缺陷可视为轮/轨缺陷接触点上的单一动态激励(图1 b)。此外,在车辆列车速度较低的情况下(轻轨车辆,如有轨电车或地铁,速度较慢,轨面奇异缺陷密度较大),轨道动挠度是地波产生的主要原因[25而考虑作用在轮轨缺陷接触点上的单一力是造成铁路振动的唯一因素也是相对合理的。因此,(3)表示轮对时作用在轮轨界面的力j与局部缺陷接触。注意,激发态的位置可能在方程之间有所不同(1)(3)

对于高速列车,这些振动的准确预测可以通过几种数值模型来实现[26- - - - - -28]或市区网络[29- - - - - -31]。然而,整车/轨道/土壤仿真需要大量的计算时间,需要大量的车辆、轨道和土壤参数。在某些情况下,确定范围的程序是可取的,如Nelson和Saurenman开发的技术[32],用以预测铁路车辆在地面传播的噪音和振动。该工具的主要重点是估算地面和地铁轨道附近居民区在6.3至200hz之间的地面噪声和振动。将该问题简化为利用频率函数定义的线路传输迁移率来估计地表振动f,(4)由的叠加得到的l点转移的机动性ij在几个点j(j: 1↦l)的栏杆,间隔的距离d,以及被研究的受体反应x和力密度lF由测试得来[12]或数值计算[33]。由此产生的振动在距离上计算y从轨道上预测振动速度水平(5)通常在三分之一倍频带(为了简单起见)。

该方法的基础是测量单个源在不同点之间的迁移迁移函数在一个系统。正如其名称所示,该函数给出了系统两点之间的传递动力特性——土壤速度响应X(f)及警队Fj(f)作用于土壤表面,并在频域内产生土壤动态信息[34]。从理论上定义了单源迁移迁移率(6)

对于上述铁路引起的地面振动问题,可以了解到,点传递率的个数越重要,方程给出的计算表达式就越多(4)可以评估轨道上分布的不规则情况和/或高速列车的影响(理想情况下,=ld=l)。然而,如果研究的是低速和局部缺陷的动力学效应,一个点迁移率(或少量的点迁移率)仍然足以评价地波传播的振动效应。第二个案例是真正适用于城市环境的。

缩略图 图1

振动传播试验的设置:a)分布源和b)局部激励源。

3实验装置

为了生成传递迁移率函数ij两点之间j时,必须对表示施加于某一点的输入力的数据信号进行同步分析j在不同的点测量系统的响应和系统的运动(7)激发的自谱在哪里以及激发和响应的交叉频谱被定义为(8)(9)

此外,输出与输入之间的因果线性关系可以通过相干函数物理地反映出来,定义为(10)哪里干预了反应的自动频谱

需要仔细考虑傅里叶变换中的噪声和泄漏,因为较差的相干性表明较差的信噪比、测量误差、结构的非线性或时变特性,或它们的组合。根据用于探测响应运动的测量类型,土壤速度响应X(f)可计算为一次导数或一次积分。因此,鲁棒信号处理技术需要避免与原始噪声信号和采样率固有的积分常数或导数梯度相关的非物理信号。

3.2 Excitators

力函数可以用各种方法应用于结构上。激发结构的一种常用方法是使用大锤或冲击器。

嵌入式力传感器动态冲击锤是一种高效的激发器,使用方便,携带方便。然而,它必须在感兴趣的频率范围内用恒力激励结构。此外,铁锤的重量和撞击次数需要操作者的物理要求,因此不需要获得一系列可靠的撞击次数[34]。

另一种选择是使用落锤冲击器形式的机械激励器。在目前的工作中,一个下降的质量机器(图2)专门用于可移植性不是必要限制的一些测试。它由一个钢框架组成,作为一个下降的质量的引导支撑。后者由几个12.5公斤的重质量和一个弹性体支撑组成,允许过滤所需的频率范围。总质量可达52公斤,可从1.5米的最高高度发射。机械绞车与手柄一起使用,使提高质量更容易和安全带扣作为执行机构。期望在质量的顶部放置一个加速度计,测量质量的加速度(以及通过测量的加速度乘以质量得到的激发力)。一个简短的分析计算证明,对于1米的标称高度,预期冲击持续时间为2.2毫秒,最大加速度为200g(对应的最大力为10吨),覆盖频率范围为100hz。

所述第二激励装置的优点是不仅在钢轨上应用了一个校准过的力脉冲,而且还具有恒定形状和频率内容的力脉冲,如图所示图3证明了激发的重复性。为了避免质量反弹的有害影响,对测量道采用了专用的信号处理,如矩形和指数窗口或同态滤波[35],以去除信号中不需要的部分。

缩略图 图2

机器质量下降。

缩略图 图3

用下落质量机测得的10个冲击力样本示例。

3.3受体

沿垂直于轨道的剖面放置几个加速度计和/或检波器,测量垂直土壤响应(图4)。距离轨道的距离是从最近的铁轨的边缘确定的。第一个加速度计可以放在靠近轨道的地方(有轨电车场地边缘),另一个可以放在远处感兴趣的地方(敏感的建筑物、住宅的基础墙等)。如果传感器数量足够,可以计算出地面振动随距离的衰减,以及频率内容(土壤过滤)的衰减和土壤异质性的散射效应。

缩略图 图4

实验设置和传感器的位置。

4案例1:布鲁塞尔有轨电车网络的数据收集

研究人员对布鲁塞尔地区从1号工地到14号工地共14个试验点的实验数据进行了研究(图5)。所有的站点都由厚板和有碴轨道组成,覆盖了布鲁塞尔地区最多的有轨电车网络。进一步考虑包括:

  • 3.1节中描述的下落质量机用于激励钢轨。一个集成的电子压电(IEPE)传感器固定在质量的顶部,用于测量冲击力。压电式加速度计用胶结法固定在结构上。由于期望在本研究中分析振动速度,加速度时程被转换成它们的等效速度分量。用于此目的的是带有放大器的模拟信号调节器。

  • 所有站点都记录了垂直分量的振动信号。至少,一个传感器放置在有轨电车场地边缘,一个传感器放置在建筑基础上。除了场地2和场地9之外,另外还在人行道的边缘安装了一个传感器。

  • 虽然数据集被记录在几个不同的位置,一个特别的注意被注意到保持相同的测量位置距离时,可能。

  • 每个站点的配置可能有所不同根据跟踪配置:网站1和2是由混凝土枕木和弹性railpads有压载的轨迹,网站设计的3 - 6是azobe睡眠者的轨迹,网站7日和8日被定义为弹性跟踪(放在弹性材料),网站9是一个浮动的板式轨道和网站10 - 14被表示为一个具体的板式轨道。

  • 为了有效地比较建筑行为对结构振动响应的影响,在同一铁路上选取了10-14个站点。

图67给出了4号场地(压载轨道)和11号场地(板式轨道)的计算迁移率函数。为了确定不受测量误差影响的频率范围(通常在10到80赫兹之间)和每个迁移率的可重复性,还绘制了相干曲线。轨道内产生的动力激励在传播过程中被土壤过滤和抑制。这表明,在所有的研究频率范围内,随着距离的增加会出现衰减:在轨道和建筑地基之间,可以观测到近10db的差异。轨道型式的效率可以评估:轨道的安装对邻近建筑物的振动影响很大。通过比较两种传输方式,似乎板式轨道比传统的有碴轨道具有更好的隔振性能。所有实地考察的其他结果显示:

  • 轨道边缘的平均振动水平相对恒定,有碴轨道约为- 60至65db,平板轨道约为- 65至70db;

  • 在有碴轨道(包括混凝土枕木或木枕木)之间没有发现显著差异。平均衰减约为15分贝;

  • 9号工地是唯一一个有浮板的工地,造成了非常低的衰减。但是,只使用了两个测量点,在这个阶段,很难得出准确的结果。注意,轨道边缘的平均振动水平接近- 75分贝;

  • 所有的弹性轨道勾勒出平均衰减约10分贝。10-14个板式轨道站点衰减比较接近(13 dB)。

另一个有趣的发现是,所有地点的结果都有20-40赫兹的最大频率,而没有可见的主峰(1选项卡。)。这主要是由于土壤材料的高阻尼,掩盖了最常见的共振现象。

最后,粒子峰值速度(PPV)由脉冲响应计算(11)定义为每个距离信号的最大振动(12)所示图8为所有的网站。总的来说,除了7号和12号场地的中间距离(人行道的边缘)呈上升趋势外,可以观察到随着距离的增加,中间距离呈下降趋势。这是由于在传感器附近有一堵矮墙,起到了阻挡波的作用,并放大了局部的振动水平。从频域观察,9号场地(有浮板)在建筑基础处出现异常水平。值得注意的是,其他地点也出现了类似的随距离衰减的情况,这表明了地波的色散性质。复杂的土壤形态(在城市地区遇到的)也在研究场地的水平差异中扮演重要的角色。这就是为什么详细的模型无法非常准确和简明地再现城市地区的振动水平的原因之一,因为缺乏土壤行为信息,而铁路经验模型只能提供一个良好的量级。使用传输流动性将所有这些信息合并到单一频率内容函数中。结合车轮/轨道接触处的力密度(包括局部缺陷行为)的精确描述,由此产生的振动可以评估任何类型的车辆,由方程定义(5)

缩略图 图5

显示测试地点在布鲁塞尔地区的地理地图。

缩略图 图6

转移流动功能ij对于场地4(压载轨道):a)大小和b)一致性。

缩略图 图7

转移流动功能ij对于11号工地(平板轨道):a)强度和b)一致性。

表1

所有研究地点的主导频率。

缩略图 图8

计算PPV相对于距离:所有研究地点的影响。

5案例2:雅典地铁网络中典型的雅典混凝土建筑振动放大系数

与欧洲其他建筑相比,典型的雅典建筑具有不同的结构。一个典型的钢筋混凝土多层建筑的承重系统的结构元件是板、梁、柱、剪力墙或中心核心和楼梯,通过这些结构元件传递振动。一般来说,圆柱构成一个4-5米的正方形网格。所有上述的元素,以及周围的墙壁的任何地下楼层,和基础,是由现浇混凝土。通常,基础由高度约1米的刚性基础和带状梁组成。非结构元素,如填充和内墙,是由空心粘土砖砌筑与水泥石灰砂浆。

为了估计地铁网络对建筑物产生的动态影响,在雅典地铁2号线和3号线沿线的几座建筑物上进行了一项大型实验活动(图9)。完成一个完整的结构评估公共电力公司的建筑,靠近地铁2号线在操作条件下,通过测量振动水平相对于火车旁通和传播能力估计的函数(比率两个转移流动函数)在几个地点内外建筑使用锤击试验的影响。其他建筑物也被研究过:音乐厅、国家剧院和国会大厦。由于在这些建筑物附近没有类似地铁列车的振动源,因此只在每个建筑物的地下室或最低层进行了冲击测试测量。因此提出了一种定量振动的替代方法。

与上述情况相反,一个锤子被用作激励。图10显示了撞击的位置和用于测量振动水平的几个传感器。从外立面钻出2米的井眼,将三轴IEPE加速度计安装在井下工具上,该工具放置在井眼中。两个水平检波器和一个垂直检波器安装在距离建筑物2.5米远的人行道上。建筑内部测量位置在地下室、一楼、一楼、二楼和四楼,垂直检波器连接到建筑的楼板上。检波器的灵敏度为28.8 V/m/s。测量设置详细描述在[36]。

图11展示了建筑内部不同位置的传递功能。通过验证只有由冲击激励引起的振动被记录下来,特别注意了其他振动源。这揭示了由于地下室的影响,研究的三层楼相对于地下室的建筑放大效果。为了清晰,光谱曲线在三分之一倍频带内。特征建筑共振在16赫兹为所有三层和63赫兹为一层是清晰可见的。在630hz以上的较高频率,振动水平大幅下降,表明所选的频率范围(高达200hz)足以进行目前的分析。

为了表征城市轻轨快速通道的效果,同样的传感器配置被用于确定相对于火车通过的建筑物振动水平。公共电力公司大楼的1、2、4层相对于地下室的放大系数呈现在图12。除了一层63赫兹的共振外,三层的响应与冲击试验的情况非常相似。频率内容被记录到160hz,确认了从冲击试验的频率上限。这两个结果都表明,共振是结构响应的一个性质,而不是源。

除了影响和火车通过的比较结果,并确认使用传播性结果提供了有趣的发现,可以构造一个“point-to-line源校正”减去相同的放大系数相对于地下室的影响放大系数相对于火车旁通。因此,根据定义,对于公用电力公司大楼,如果将修正后的建筑物放大系数加到相对于地下室的影响上,结果将得到相对于列车经过的建筑物放大系数。然后可以将此更正应用于其他构建类型的冲击器数据,其中只存在冲击器数据。期望与方程具有相似性(5)(13)Tv,传递振动速度,Tij传递函数和CF点对线源校正因子,可解释为占位力因子。这种方法的潜在误差来源是:

  • 轨道相对于建筑物的距离和方向差异;

  • 冲击器到测量位置的距离;

  • 构造类型对点线源校正的影响。

然而,在振动评估的早期阶段,准确的定量结果并不是最重要的。图13给出了三层楼采用上述放大系数的差值所得到的测点到线的修正。修正系数曲线显示了列车与冲击器数据之间约10 dB的差值,以及频率在63 Hz以上时的衰减差值。这些特征在很大程度上是由源之间的差异引起的:16hz和63hz的共振在校正中没有出现,因为它们是建筑性质。

知道每层不同的修正因子,一个平滑的平均曲线可以计算(见图13),并用来描述地铁线路对其他建筑物的影响。该方法适用于在建线路附近无法测量地铁通道的建筑物。其中一些建筑物比较敏感,当局特别注意在建造及运输过程中人为引起的震动[14,37]。图9展示了根据他们的特点选择的三个地点:雅典音乐厅(Megaron Mousikis Athinon)是一个最近的建筑,在1991年落成,有两个大厅(实际上是四个大厅),用于歌剧表演,就在地铁3号线外面;国家剧院始建于1880年,和雅典的其他建筑一样,是一座典型的新古典主义建筑;议会大厦是现代希腊第一个皇家宫殿,完工于1843年,自1934年以来一直是希腊议会的所在地。这三座建筑是雅典建筑类型的一个整体概述。图14给出了由冲击试验计算出的振动速度估计值和该方法给出的力密度。与公共电力公司的建筑水平相比,这三个研究建筑的水平较低。音乐厅的电平大约低10-30分贝。国家剧院的水平比雅典音乐厅要低,但比公共电力公司大楼要高。议会大厦呈现出中间层次,部分原因是由于议会大厦与标准的希腊建筑(如公共电力公司大楼)在建筑和大小上存在差异。

缩略图 图9

显示雅典测试地点的地理地图:1)公共电力公司大楼,2)音乐厅,3)国家剧院和4)议会大楼。

缩略图 图10

公共电力公司大楼:实验设置地点。

缩略图 图11

传播性函数Tij用于公共电力公司建设。

缩略图 图12

传递性振动速度水平Tv,记录了公共电力公司大楼的火车过路。

缩略图 图13

Point-to-line源校正lC就雅典地铁网络而言。

缩略图 图14

传递性振动速度水平Tv,估计其他建筑位置的火车经过。

6结论

铁路引起的地面振动会对靠近铁路的城市社区造成负面影响。在城市地区,这些振动是车辆的力量作用的车轮对轨道的局部缺陷。在振动评估的早期阶段,通常放弃严格和详细的分析,而选择确定范围的方法。本文概述了在布鲁塞尔和雅典进行的几项实验分析,目的是在岩土工程背景下量化地面振动的影响。主要限制在于计算方案中没有列车激励,但这些数据可以很容易地结合到列车动力的预测步骤中,以模拟铁路不连续时的振动产生[38]。然而,在这个阶段,考虑到作为潜在振动源的局部轨道缺陷或复杂的振动传递路径,点转移移动性仍然是一个有用的工具来评估与轻轨快速运输系统运行有关的振动控制问题。

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引用这篇文章为: G. Kouroussis, H.P. Mouzakis, K.E. Vogiatzis,用于评估铁路振动对建筑物、力学和工业的影响yabo亚博18803 (2017)

所有的表

表1

所有研究地点的主导频率。

所有的数据

缩略图 图1

振动传播试验的设置:a)分布源和b)局部激励源。

在文本中
缩略图 图2

机器质量下降。

在文本中
缩略图 图3

用下落质量机测得的10个冲击力样本示例。

在文本中
缩略图 图4

实验设置和传感器的位置。

在文本中
缩略图 图5

显示测试地点在布鲁塞尔地区的地理地图。

在文本中
缩略图 图6

转移流动功能ij对于场地4(压载轨道):a)大小和b)一致性。

在文本中
缩略图 图7

转移流动功能ij对于11号工地(平板轨道):a)强度和b)一致性。

在文本中
缩略图 图8

计算PPV相对于距离:所有研究地点的影响。

在文本中
缩略图 图9

显示雅典测试地点的地理地图:1)公共电力公司大楼,2)音乐厅,3)国家剧院和4)议会大楼。

在文本中
缩略图 图10

公共电力公司大楼:实验设置地点。

在文本中
缩略图 图11

传播性函数Tij用于公共电力公司建设。

在文本中
缩略图 图12

传递性振动速度水平Tv,记录了公共电力公司大楼的火车过路。

在文本中
缩略图 图13

Point-to-line源校正lC就雅典地铁网络而言。

在文本中
缩略图 图14

传递性振动速度水平Tv,估计其他建筑位置的火车经过。

在文本中

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