交通荷载影响下土体振动传递规律及预测方法研究

论文摘要

为缓解城市人口增加带来的交通压力,城市的交通网变得越来越密集。为此,交通环境振动问题也日益受到关注。如何准确地预测运行车辆引起的目标建筑物的振动响应,提早规避振动结构本身以及人体、精密仪器等带来的潜在危害尤为重要。目前对于交通荷载影响下的临近建筑物的振动响应,多是建立振源一土体一目标建筑物的综合模型来预测,但是准确程度无法验证。本文从振源特性、振动波在自由场地中的振动传递规律、建筑物振动响应分别在理论及试验上进行了分析的基础之上,将各部分整合,建立了交通荷载作用下结构物振动响应预测模型。建立预测模型的目的就是避免复杂的含有车一桥一自由场地一目标建筑物的复杂系统模型,避免建立复杂的车辆一交通结构一线桥隧路基础的振源模型,避免建立复杂参数的土体模型,避免建立结构形式复杂的目标结构物的有限元模型,避免大规模复杂的有限元模型计算,实现交通荷载作用下临近建筑物振动响应的快速预报。主要工作及创新之处如下:(1)不同荷载作用下2D/3D土体振动理论研究通过理论推导,求解了不同荷载形式作用下2D/3D土体振动响应,并建立相应的土体有限元模型,进行相互验证。分析简谐荷载作用下2D/3D土体振动传播特性,主要包括以下3个方面:1、简谐荷载作用下2D/3D土体振动响应的稳态幅值响应空间分布;2、简谐荷载作用下2D/3D土体各点稳态响应幅值之比的空间分布;3、简谐荷载作用下2D/3D土体振动响应的幅值之比随荷载幅值变化的规律,为下一步进行现场试验及以后的振动预测方法服务。(2)运行列车引起周围土体振动现场试验及预测通过现场试验,探寻运行列车引起的振动信号在自由场地中的振动传播规律,在某高铁线路桥梁段开展现场试验,多工况分析高速列车桥梁段,运行列车引起的周围土体振动信号的传播及衰减特性,阐述了振动放大区的原理,对测试采集的加速度信号进行分频处理,总结每一单频信号的振动传播规律,给出了各单频信号的振动传递函数,提出一种运行列车引起的周围土体振动响应的振动预测方法,并与现场试验数据进行对比分析以验证所提方法的有效性及准确性。(3)交通荷载影响下建筑物基底振动响应研究基于现场实测,提出了一种运行列车引起的临近建筑物的振动响应预测方法,并结合现场试验对所提振动预测方法进行了验证。结构物振动响应预测模型主要分为以下部分:1、首先通过分析现场测试数据来识别结构的模态参数;2、基于结构模态参数建立结构物的修正有限元模型:3、基于现场实测建筑基底的振动响应结合所建的有限元模型来计算整个结构的振动响应。在此基础之上,针对交通环境振动往往受到人群、电信号等诸多干扰因素的影响导致实际测量数据失真的情况,从能量角度出发,提出了一种去除本底振动干扰的有效方法,通过对模拟的振动信号的处理结果的对比及试验验证,遵循能量守恒原则,采用基于能量的本底振动排除方法,可以有效的排除本底振动对实测振动测试信号的干扰,验证了该方法的可靠性。(4)交通荷载作用下古建筑木结构振动响应预测方法研究首先,基于简谐荷载作用下线性系统中各自由度稳态解的理论推导,总结了单频简谐波在线性系统中的振动传递规律;其次,根据频域内的单频振动信号的振动传递函数并结合古建筑木结构的结构特点,建立了完整的交通荷载作用下的古建筑木结构的振动响应的预测体系;最后,将所提出的预测模型应用到实际的两座古木建筑结构中,将预测值和实际测量值进行了对比,验证了该预测体系的可行性和准确性。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
•   1.1 研究背景及意义
•     1.1.1 交通环境振动的影响
•     1.1.2 交通环境振动的特点
•     1.1.3 交通环境振动的研究现状
•   1.2 振动在土层中的传播
•     1.2.1 振动波在土中的传播与衰减
•     1.2.2 谐和线振源-弹性半空间解析分析模型
•     1.2.3 交通荷载引起周围自由场地振动响应研究现状
•   1.3 运行列车引起临近建筑物振动预测国内外研究综述
•   1.4 交通荷载作用下古建筑木结构的振动响应预测
•   1.5 本文的研究内容和思路
•   1.6 本章小结
• 第2章 不同荷载作用下2D/3D土体振动理论研究
•   2.1 概述
•   2.2 不同荷载作用下2D土体振动响应
•     2.2.1 单位脉冲荷载作用下2D土体振动响应理论推导
•     2.2.2 单位阶跃荷载作用下2D土体振动响应理论推导
•     2.2.3 单位简谐荷载作用下2D土体振动响应理论推导
•   2.3 简谐荷载作用下3D土体振动响应
•   2.4 简谐荷载作用下2D/3D土体振动传递规律
•     2.4.1 简谐荷载作用下2D/3D土体振动响应的稳态幅值响应空间分布
•     2.4.2 简谐荷载作用下2D/3D土体各点稳态响应幅值之比的空间分布
•     2.4.3 简谐荷载作用下2D/3D土体振动响应的幅值之比随荷载幅值变化的规律
•   2.5 本章小结
• 第3章 运行列车引起周围土体振动现场试验及预测
•   3.1 概述
•   3.2 自由场地土体振动试验
•     3.2.1 试验概况
•     3.2.2 振动信号的预处理
•     3.2.3 振动随车速变化的规律
•     3.2.4 振动信号传递频域分析
•   3.3 振动传递比分析
•   3.4 高速列车引起的自由场地土体振动响应预测与验证
•   3.5 本章小结
• 第4章 交通荷载影响下建筑物振动响应研究
•   4.1 概述
•   4.2 去除交通环境振动测试中本底振动的能量法
•   4.3 运行列车引起的临近建筑物的振动响应预测与验证
•     4.3.1 结构振动响应预测模型
•     4.3.2 邻近铁路建筑物振动的现场试验
•     4.3.3 结构有限元模型修正
•     4.3.4 楼层振动响应数值分析
•     4.3.5 考虑本底振动的对比分析
•     4.3.6 结构振动响应评价
•   4.4 本章小结
• 第5章 交通荷载作用下古建筑木结构振动响应预测方法研究
•   5.1 概述
•   5.2 频域内传递函数的理论推导
•   5.3 基于两点传递函数的交通荷载作用下古建筑木结构的振动响应预测方法
•     5.3.1 试验概况
•     5.3.2 结构模态参数识别及结构有限元模型
•     5.3.3 极端交通荷载作用下藏经楼振动预测
•   5.4 基于多点传递函数的交通荷载作用下古建筑木结构的振动响应预测方法
•     5.4.1 试验概况
•     5.4.2 振动响应预测及验证
•   5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
•   6.1 论文的主要研究工作及结论
•   6.2 主要创新点
•   6.3 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张允士

导师: 张楠

关键词: 环境振动,振动预测,现场测试,频域内的传递函数,古建筑木结构,模态参数识别,多点传递

来源: 北京交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 北京交通大学

基金: 国家重点基础研究发展计划“973项目”(2013CB036203),国家自然科学基金重点项目(51338001)

分类号: TU435

总页数: 176

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