京津城际铁路桥墩基础场地振动测试分析
2011-06-11 17:52
京津城际铁路桥墩基础场地振动测试与分析
【摘 要】为确定京津城际铁路地震预警系统地震仪的触动阀值,在高速列车通过时,对京津城际铁路桥墩基础场地进行了振动测试,并采用最小二乘法及频谱分析获得了桥墩附近场地的振动加速度衰减规律及其频率特性。结果表明,振动加速度幅值在距离桥墩10 m范围内衰减很快,且垂直向衰减比水平向快,超过10 m范围后,衰减变缓,水平向与垂直向的振动幅值衰减接近;在桥墩附近,加速度水平向及垂直向主振频率分别为37 Hz和41 Hz,远高于理论预测值;距桥墩70 m处安置的地震仪不会被触发。
【关键词】地震仪;地震预警系统;频谱分析;衰减规律
随着高速列车兴起,高速铁路的地震预警作用十分重要,如日本、法国、台湾等均对高速列车建立了地震应急系统。国际上正在运行的高速铁路地震应急处置系统表明,沿铁路线布设地震仪的方法是可行的。由沿铁路线的地震仪监测地震发生后的地震波,当振动强度达到阀值时,系统自动给出相应的列车控制指令,及时调整列车运行。
京津城际铁路全长120 km,为世界上首次采用500m的无缝钢轨焊接,车站间主要采用高架桥连接,桥墩高8 m,相邻两跨间距约30 m,最高运行速度可达350km/h。为确定地震预警系统地震仪的触动阀值,避免高速火车运行引起的振动触发地震仪,进行了铁路沿线场地的振动测试分析。
高速列车引起的振动影响愈显突出,国内外进行了大量相关研究,如2001年,Degrande与Schillemans[1]测量高速铁路时速223 km/h~314 km/h间的地表振动,分析了不同速度的频谱特性。2003年,Lombaert与Degrande[2]根据实验建立了高速列车通过自由地面的数值模型。2002年,高广运等[3]对秦沈快速客运专线列车的地面振动进行了现场测试与分析,夏禾等[4]对秦沈快速客运专狗河大桥进行了高速列车作用下的动力试验,并分析了桥梁的各项振动特性。
1、振动测试
测试时,考虑京津城际铁路预警系统加速度计的安置地点及其周围环境,选取武清牵引变电站作为测试点,场地土层为第四系沉积层。
1·1 测试仪器
京津城际铁路预警系统的触动阀值为加速度值,因此测试火车通过时场地的地面加速度幅值,选用仪器为美国凯尼公司生产的K2型强震仪,其主要技术指标见表1,仪器满足测试要求。
1·2 测点布置
在武清牵引变电站桥墩附近布设1个观测点,垂直于铁路线布设测点5个,测试火车通过时场地振动及其衰减情况,测点位置及其间距见图1。
2、测试数据分析
经多次测试,观测点最大振动加速度平均值见表2,观测点1振动记录见图2。
秦沈客运专线路基振动测试结果显示[5],列车行驶速度250 km/h-290 km/h时,路基附近的振动加速度幅值在4. 1 m/s2-5. 4 m/s2,而京津城际铁路高架桥墩附近观测点1的最大振动加速度值约为53. 9 cm/s2,两者幅值相差较大;比较两者的振动加速度时程曲线,后者更加平稳。因此,高速列车铁轨采用无缝焊接、建于高架桥上,能够有效地减小列车运行产生的地面振动,列车行驶也更平稳。
2·1 场地地面运动衰减关系
场地地面运动衰减关系根据实测的振动量值,利用最小二法进行回归分析。根据本次测试的具体情况,回归分析方程式采用如下形式:
两端取对数,得:
lga =lgk-elg(b+R) (2)
若用a表示实际观测值,则全部观测值与由回归式(2)得出的理论值之间的差值的平方和为:
所谓最小二乘法,使得式(3)最小,即δ(k, e, b)=最小。
利用极值原理,将式(3)对lgk, e及b求导,并令其等于零,求得k、e和b值,其表达式为:
式中, N为观测数目值, Ri是第i个观测点距第1个观测点的距离,单位为m,ai是第i个观测点的最大加速度平均值,单位为cm/s2,b为待定常数。
联立方程式(4)、式(5)、式(6),求得k, e, b,回归方程曲线见图3,回归方差为σ,其值见表3。
从图3可以看出,回归曲线表明,在10 m范围内,垂直向的振动幅值衰减比水平向快,超过10 m范围后,水平向与垂直向的振动幅值衰减很接近,与理论模型计算结论及预测曲线相一致[3, 6],即距离铁路越近,引起的地面振动越大,随着距离的增加,振动有较大的衰减,超过一定距离衰减变缓。
地震预警系统地震仪安置点距铁路线距离约70 m的土层上,设置报警阀值为45 cm/s2。从图3可判断,列车运行产生的地面振动不会触发地震仪。
2·2 频谱分析
依据观测点振动时程记录,进行了加速度频谱分析。观测点水平垂直于铁路线方向及垂直于地面方向的典型频谱特性见图4、图5。
从图4、图5可知,观测点1水平向主振频率为37Hz,垂直向主振频率为41Hz,频谱高频成分突出;观测点2水平向与垂直向主振频率均为10 Hz,频谱以低频为主。随距离的增大,地面振动加速度幅值衰减,高频成份被抑制,反映出土体的阻尼和滤波特性。
文献[7]理论预测,列车以350 km/h高速行驶时,桥墩的振动频率约为2. 9 Hz,而京津城际铁路桥墩附近观测点1的主振频率远高于这个值。
3、结 论
通过对京津城际铁路场地振动测试与分析,结论如下:
(1)地震仪安放于铁路70 m外,列车运行产生的地面振动不会造成仪器误触发。
(2)高速列车铁轨采用无缝焊接、建于高架桥上,能够有效地减小列车运行产生的地面振动,列车行驶更平稳。
(3)距离铁路越近,列车运行引起的地面振动加速度幅值越大。在10 m范围内,振动有较大的衰减,且垂直向的振动幅值衰减比水平向快;超过10 m范围后,衰减变缓,水平向与垂直向的振动幅值衰减接近。
(4)铁路桥墩附近的水平向主振频率为37Hz,垂直向主振频率为41 Hz,远高于以前相关理论预测频率值。
本次测试时,观测点处列车行驶速度在250 km/h-290 km/h间,因此,测试结果主要适用于列车在此速度区间行驶时对基础场地的影响。
参考文献
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