高速列车对半刚性节点装配式混凝土框架结构的振动影响分析

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近年来,我国铁路迅速发展,高速铁路里程也达到一定规模,伴随着我国城市化进程加速,列车速度的不断提高,线路周边等有振动影响的区域陆续出现了大量的建筑,由此引发的环境振动对结构安全性、人们的生活以及身心健康等问题造成较大的影响。随着工业化建筑的快速发展,装配式结构以高效率、低污染等许多优点在该领域再次受到重视。装配式混凝土框架结构的节点有铰接节点、刚性节点和半刚性节点三种,由于半刚性节点在刚度上具有半刚性,相对于刚性节点和铰接节点存在较大差别,因此其在动力特性上会有较大差异,从而导致动力响应不同。目前,对装配式混凝土结构节点半刚性的分析主要是针对节点在地震作用下的性能方面研究,而鲜有对高速列车荷载作用下半刚性节点装配式混凝土框架结构节点半刚性的动力特性分析。因此有必要开展高速列车运行引起的半刚性节点装配式混凝土框架结构振动的研究,掌握其振动特性和传播规律。本文以半刚性节点装配式混凝土框架结构为分析对象,用ANSYS软件对其进行建模分析,验证了其模型结构的正确性,引入节点平动刚度系数与转动刚度系数,比较了节点平动刚度和转动刚度变化对结构自振频率的影响,还建立轨道-路基-土体-半刚性节点装配式混凝土框架结构三维有限元模型,分别研究了节点平动半刚性和转动半刚性对装配式混凝土框架结构三个方向的振动影响,得出结构受节点平动刚度和转动刚度共同影响,且节点转动半刚性比平动半刚性对结构动力响应的影响大得多,结构动力响应以节点转动半刚性影响为主;然后分析了不同车速、轴重、地基土性质及距离工况下节点转动半刚性对装配式混凝土框架结构动力响应的影响,分别从结构振动加速度、振动位移、加速度频谱几方面进行了详细的分析,并与刚性框架结构对比,结果表明:结构振动的频率范围主要在0~30Hz,属于低频振动;高速列车运行引起的结构水平方向振动响应也是比较显著的,且比竖向振动更敏感,因而在分析轨道交通振源对邻近结构振动影响时,水平方向振动对也应足够重视;列车车速、轴重、地基土性质及距离等因素下,对半刚性节点装配式混凝土框架结构均有不同的影响,随着节点转动刚度增大加速度频谱幅值依次增大,且相对于竖向,水平方向频谱幅值变化比较明显,与加速度规律是一致的。加速度频谱幅值能够反映能量传递的大小,由此可知,半刚性节点装配式混凝土框架结构传递振动能量时由于存在滤波效应,因此有能量损失,节点的刚度越小其滤波效应越明显,能量损失越多;在研究的节点转动半刚性范围内(节点转动刚度系数T=0.1~1.0),总体上水平方向振动响应随着节点转动刚度的增大而增大,竖向振动响应随着节点转动刚度的增大变化幅度较小。无论水平方向还是竖向,振动响应变化幅度随节点刚度减小而增大,增大幅度呈非线性递增关系,越接近刚接变化幅度越小。因此除了节点转动刚度的影响外,不同特性的振源、不同振动方向以及不同的土质等对结构振动均有影响。
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