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减振技术论文范文1
随着经济的发展，当前交通运输业尤其是民航业呈现快速发展的态势，但是由于受到内部和外部等不确定因素的干扰，飞机失事的概率逐渐增加［1］。救生舱中氧气的精准供应，可为救援人员以及被困人员提供可靠的救生舱内氧气资源使用数据，进而提高受困人员得生几率［2，3］。为了确保人民群众的生命安全，寻求合理的方法对飞机失事后救生舱中氧气系统进行准确建模和控制，成为相关人员分析的重点问题［4，5］。飞机失事后的救生舱相关参数具有随机性和不确定性，飞机失事后面临的破坏性和环境都是大随机事件，救生舱氧气系统的控制需要对压力、气体温度和氧气系统参数的时间差数据的准确掌握，实现氧气系统性能的定量评估，而这些参数又很容易受到失事时外部环境的影响，无法预先设定。传统的氧气系统控制模型无法准确评估参数在恶化环境下的变化过程，仅能通过设定固定参数评估短期机组氧气性能变化情况，存在较大缺陷。通过对救生舱氧气系统压力、气体温度和氧气系统参数的时间差数据的处理，获取分析机组氧气性能得有价值数据，提出一种基于改进遗传算法的自抗扰控制器氧气系统参数优化模型，塑造考虑控制约束的自抗扰控制器参数优化设计目标函数，通过一种改进自适应混沌遗传算法对氧气系统参数进行整定，实现失事飞机救生舱内氧气系统的有效控制。仿真结果表明，所提控制模型增强了系统得动态性和静态性，可有效应对系统参数的动态性，具有较高得控制性能。
2救生舱氧气系统数学模型
为了估测救生舱氧气系统的性能，首先需得到救生舱氧气系统压力P、气体温度T和氧气系统参数的时间差t。依据氧气系统结构该中含有一个压力传感器，可通过瓶体氧气压力进行读数。由于该系统不含温度传感器，因此对正常气密性下的某飞机1个月的108个数据点进行采集，完成对上述数据点氧气压力值、外界环境温度以及驾驶舱内温度的偏相关分析，从而得到瓶体内气体的温度。偏相关性分析通常应用于各种相关的变量中，清除其中的变量干扰后，得到两两变量之间的简单相关关系。采用偏相关来分析消除氧气系统本身的渗漏率干扰后，外界环境温度与驾驶舱温度对气瓶压力的相关性。通过偏相关对其进行研究可知，驾驶舱内温度、外界环境温度以及氧气系统压力参数和氧气压力的相关性。氧气压力值主要受外界温度以及驾驶舱温度的影响，并且受外界环境温度的影响更大一些。基于来自空客的资料，可将瓶体内气体温度拟合公式描述成T=(TAT+Tc)/2，其中TAT表示外界温度、Tc表示驾驶舱温度。在通过点与点相比得到压差的过程中，为了使点和点在同一标准下完成比较，通过理想气体方程P1/T1=P2/T2，将压力转变成相同环境温度下的压力PS，各点的压力值均具有可比性，从而可得航段渗漏率PL=PS/t=(PS1－PS2)/(t2－t1)，其中t1表示飞机着陆时间，t2表示为飞机起航时间。上述理想气体方程还可应用于任一温度下机组氧气系统压力的预测，从而降低了由于冬季航行前后温差较大而引起的需频繁更换氧气瓶的工作量，提高了工作效率。因为飞行航段时间间隔较短，系统压力值波动不大，易受到外界温度拟合精度以及压力传感器探测精度的干扰，造成最终得到的压力值变化很大。通过比较两个间隔超过24小时的点的压力值来解决上述问题，假设间隔24小时的渗漏率用PL24表示，为了清除采样过程中数据坏点的干扰，需完成对其的3天滚动平均，最终即可得到能够体现系统性能特性的24小时3天滚动平均渗漏率ΔPLavg24。ΔPLavg24=∑I=nI=1(PL24－1+…+PL24－n)/n(1)其中，n表示3天中点的总量。经以上处理后可基本得到研究机组氧气性能的有关数据。而对氧气系统效果的分析，和对氧气使用时间的估计则可采用一元线性回归法，其方法仅分析一个自变和一个因变量之间的统计关系。主要通过其分析标态氧气压力值PS和气瓶安装时间To的统计关系。假设PS和To的关系满足式(2):PS=U1+U2*To+_(2)其中，PS表示被解释变量，To表示解释变量，U1、U2表示待估计参数，_表示随机干扰项，其主要体现了PS被To解释的不确定性。通过普通最小二乘法对一元线性回归进行求解，具体的求解公式如下:Toavg=∑nI=1(To1+…+Ton)/n(3)PSavg=∑nI=1(PS1+…+PSn)/n(4)其中，Toavg表示解释变量均值，PSavg表示被解释变量均值。U2=∑［(To－Tovag)*(PS－PSavg)］/∑(To－Toavg)2(5)U1=PSavg－U2Tovag(6)氧气系统固有的气密性能随U2的降低而降低。U1值主要和各时间段有关，对性能分析不产生任何影响。该方法可完成氧气系统性能的机队排序，但是不能识别单机的性能恶化，仅可实现对未更换氧气瓶以及充氧数据的监控。而对于时间段较长的机组氧气性能改变的监测只能采用相互独立样本T检验的方法来完成，该方法能够分析短期机组氧气性能恶化的状态。该方法先采集前后两个时间段的PLavg24数据样本，通过比较上述两组数据的变化程度对机组氧气系统出现恶化的时间段以及恶化程度进行判断，该种方法不能完成整个机队的氧气系统性能排序。具体公式如下F=S21/S22(7)其中，S21表示上一时间段n项数据PLavg24的方差，S22表示下一时间段m项数据的方差，式(7F(n－1，m－1)分布，可采用差找F分布的方法得到F值，依据F对两组数据的差异性进行判断，若检测出两组数据相似概率低于2．5%，则可判断这两组数据有显著差异，从而基于两组数据的均值对氧气系统渗漏率的改便程度进行判断。
3自抗扰控制器氧气系统参数优化数学模型
遗传算法是一种依据生物遗传以及进化机制的适用于复杂系统改进的自适应概率改进算法。其模拟自然及遗传时产生的选择、交叉及变异等现象，从一个初始种群开始，在经过随机选择、交叉及变异处理后，得到一群更适应环境的个体，通过这样不停的进行繁衍进化，最终可获取到一群最适合环境的个体，从而得到失事飞机救生舱氧气系统控制问题的最优解。
3．1考虑控制约束的自抗扰控制器参数优化设计目标函数的建立评价失事飞机救生舱氧气系统性能的过程中，一般情况下会采用一个以失事飞机救生舱氧气系统瞬时误差e(t)为泛函的积分为目标函数，通过时间乘绝对误差积分准则(ITAE)对系统的动态性能进行评价，以时间乘与误差成绩绝对值的积分为性能指标，用式(8)描述JITAE=∫#0t|e(t)|dt(8)如果只考虑失事飞机救生舱氧气系统的动态特性，则给定的参数通常会造成氧气控制过大，不能实现预期的控制效果。由于氧气控制能量有限，所以将umax与umin作为一项重要的指标进行加权，则有Ju=umax－umin×∫#0|u(t)|dt(9)通过氧气控制能量受限以及氧气浓度误差泛函评价标准，采用权重系数法获取一个失事飞机救生舱氧气系统性能的评价指标，用式(10)描述J=Je+Ju=∫#0t|e(t)|dt+wk|umax－umin|×∫#0|u(t)|dt(10)通过上述过程可以得到目标函数的最优极小值，需要将其转化成极大值问题，因为J＞0，故取g=1=J。遗传算法是一种自由选择的算法，在进行迭代时一定会出现很多不可行染色体，为了使算法能够高效的识别同时越过不可行染色体，需使系统的输出误差不超过给定范围。对于不可行染色体，通过惩罚策略赋予其一个很小的惩罚值，融入惩罚策略的遗传算法适应度函数可描述成:maxf=1/Ju＜Umax，u＞Umin，|e|＜EPuUmax，u"Umin，|e|{E(11)其中，Umax与Umin分别表示氧气浓度控制量的惩罚上限及下限，符合UmaxUsatmax，UminUsatmin，其中Usatmax与Usatmin分别表示氧气浓度饱和输入的上下限，|e|表示氧气浓度控制误差允许范围，P表示很小的一个罚值。
3．2改进遗传算法自抗扰控制器氧气系统参数整定过程在实际应用时遗传算法会出现早熟收敛以及收敛效率低的现象，导致其不得不用很长的时间去寻找最优解。为了避免上述弊端，采用一种改进自适应混沌遗传算法完成失事飞机救生舱氧气系统参数的优化。该算法通过浮点数编码，依据个体适应度值的排序完成对父体的选择，并且结合了自适应交叉、自适应变异以及混沌移民，对失事飞机救生舱氧气系统得参数整定，其遗传算法整定流程图用图1描述。
3．2．1失事飞机救生舱氧气系统参数的编码通过经验设定法整定跟踪微分器、扩张状态观测器中饱和函数的幂指数a以及线性区域的边界d。进行简化操作后，遗传算法的搜索区域以及不可行染色体的个数均降低了，效率得以提高。变量的数量越多，计算精度越高，二进制编码的速度就越低，对于精度要求高，搜索范围大的遗传算法，可采用浮点数编码。而自抗扰控制器涉及到的参数很多，同时区间分布广，不适合采用二进制编码，所以在确定失事飞机救生舱氧气系统的参数时采用浮点数编码。
3．2．2失事飞机救生舱氧气系统参数初始种群的选取通过经验设定法确定一组失事飞机救生舱氧气系统参数。其中跟踪微分器参数r可通过对象的响应速度来确定，和扩张状态观测器有关的各种参数可通过提到的动态失事飞机救生舱氧气系统参数确定法来确定，非线性误差状态反馈失事飞机救生舱氧气系统参数可通过PD控制器控制一个积分串联型对象的参数来确定。失事飞机救生舱氧气系统参数需符合下式:u＜Umax，u＞Umin，|e|＜E(12)在失事飞机救生舱氧气系统参数附近大范围随机搜索符合式(12)的个体，直至得到的个体数目与遗传算法中群体大小相同，从而防止了很多的不可行个体的出现，提高了失事飞机救生舱氧气系统参数整定的效率，如图1所示。
4实验验证
为了验证本文模型的有效性，需要进行相关的实验分析。实验将飞机失事后气体压力为150Pa，气体温度为28℃的救生舱氧气系统作为仿真验证对象。传统控制模型与本文控制模型调节阶跃响应仿真结果对比用图2描述。传统控制模型与本文控制模型氧气浓度信号跟随仿真结果对比用图3描述。图2分析图2和图3可得，本文控制模型与传统控制模型相比，调节效率高，超调量小，达到了一个很好的控制效果。在系统运行的初始阶段，本文控制模型的响应速度很快，在时间为25s左右时，舱内氧气即达到人体能够适应的安全范围内，在300s内即达到稳定状态;超调最大值也在18%—23．5%安全范围内。在系统连续变动已知的时，本文控制模型与传统控制模型相比，调节效率更高，超调幅值更小，可以稳定的保持在人体可接受范围内。在系统达到稳定后，在400s—450s之间加入3．6V电压，本文控制模型可以以更短的时间，更小的超调达到稳定状态，动态响应效果好。救生舱是一个多参数、强耦合的复杂系统。在系统运行过程中，任意参数的变化都会影响氧气系统的模型结构，如飞机失事后救生舱气体压力变为180Pa，气体温度为30℃，则氧气系统模型发生改变，此时传统控制模型和本文控制模型阶跃响应仿真结果对比用图4描述。传统控制模型与本文控制模型信号跟随仿真结果对比用图5描述。分析图4和图5可得，当氧气系统模型改变后，本文控制模型变化不大，控制效果仍旧很好，而传统的控制模型动态性能下降，超调量升高同时调节速度更慢。通过上述仿真结果可以看出，本文控制模型的调节速度快，超调量小，达到了很好的效果。在救生舱系统参数改变后，本文控制模型与传统控制模型相比，有更好的自适应能力，使得系统氧气浓度可以一直保持在人体可承受范围内，有着更好的稳定性以及更高的调节效率。
5结论
减振技术论文范文2
缓冲材料及其应用
1常用缓冲材料
发泡植物纤维是近几年来研究的一个热点，国内外都在努力开发这类材料。国外主要研究不添加化学发泡剂，通过水蒸气的作用发泡，形成颗粒型发泡纸浆；而国内则是采用发泡剂产生发泡，工艺较简单，但是生产和使用后对环境具有隐患，该技术还有待改进和提高。顺应当代环保及绿色理念，许多新型缓冲材料不断产生。成培芳等以淀粉/纤维作为原料制备可降解缓冲包装材料。Shi等和Lu等分别以向日葵茎秆和毛竹竹浆作为开发生物缓冲包装材料的原料，与发泡聚乙烯材料相比较，其物理特性和缓冲系数表现出更好的防护性能，并且安全无污染，可以替代石化产品作为新型的生物缓冲包装材料。
2缓冲材料的减振作用
研究各种缓冲材料的减振效果，有助于设计和开发减振包装。不同缓冲材料类型、缓冲材料的厚度、包装结构吸收振动冲击的能量不同，减振效果表现不同。缓冲材料对果蔬振动保护的作用主要在于缓冲衬垫对冲击能量的吸收、冲击对缓冲衬垫的压缩变形，缓冲材料的种类、厚度、包装结构对其减振效果都有一定的影响。了解各种因素对减振效果的影响对减振包装设计具有很强的理论指导作用。
2.1材料种类
具有高滞后吸收能量的材料，如塑料、纸板、泡沫、植物纤维等，均能够减少运输中振动损伤的程度，但是不同的缓冲材料对果蔬减振效果不同。Raghav和Gupta用宽松的水稻秸秆和纸碎片作为水果层之间的缓冲材料，发现没有缓冲包裹的水果比包裹的水果腐烂速度要快得多，说明水果层之间的缓冲材料有利于减少运输振动损伤。以竹篮为包装材料时芒果损伤程度严重，以泡沫网包裹的瓦楞纸箱对芒果具有最优的保护作用。纸包裹和泡沫网都能大大减少黄花梨的运输振动，泡沫网缓冲材料对于保持黄花梨贮运品质效果更好，而纸包装的黄花梨酶活性比泡沫网箱高出许多，但是硬度反而降低。Jarimopas等发现塑料和纸板均具有降低冲击损伤作用，但是纸板的减振效果优于塑料板，缓冲能量与苹果的大小无关。Chonhenchob和Singh认为纸板缓冲和泡沫网缓冲材料具有相似的保护作用，但是纸板包装更有利于番木瓜的成熟。但是Çakmak等认为在中长期高速运输过程中，纸板包装运输增加了果品内部的温度，导致果品品质的降低，而聚苯乙烯包装盒可以减小这种负面反应。李春飞等也发现，采用瓦楞纸板衬垫、发泡塑料网作缓冲包装时，均可有效地降低苹果损伤率，发泡塑料网对苹果的整体保护特性优于瓦楞纸板衬垫。
2.2材料厚度
不同厚度的缓冲材料产生不同的缓冲作用，在一定范围内，缓冲材料的厚度越大，缓冲吸收能量越大，减振效果好。多层瓦楞纸板能量吸收显著大于单层，多层瓦楞纸板抗冲击能力强，双壁瓦楞纸板箱较单壁有利于减少苹果的损伤率。当缓冲材料厚度超过一临界值时，甜罗望子损伤率不再发生变化，以30%5mm大小的泡沫球与甜罗望子混合在15cm直径、20cm高度的瓦楞纸箱中，甜罗望子的损害率最小。
2.3包装结构
包装结构的不同对缓冲性能也有一定的影响，卢立新等研究表明，瓦楞纸板衬垫与隔档可以减小梨损伤率达15%~25%，瓦楞纸板衬垫、隔档以及网罩的联合包装形式可以使梨损伤率减小35%~45%。实际物流过程中，果品常常堆积多层，研究发现多层苹果的总损失体积与其吸收总能量存在线性关系，而其中的单个苹果不存在线性关系，卢立新建立了多层果实跌落冲击模型。
包装箱所处堆码层数对果实的振动损伤有重要的影响，最上层包装箱内梨果实的损伤最大，最下层梨果实的损伤次之，中间层梨果实的损伤最小；在同一包装箱内，最上层梨果实损伤最大，中间两层次之，最下层最小。但是李春飞等研究发现，瓦楞纸板内部隔档可以减小苹果的损伤率，同一种缓冲包装的中间层苹果的损伤率最大，底层苹果损失率次之，顶层苹果损伤率最小。双壁瓦楞纸板箱较单壁减振效果较好，多层瓦楞纸板作为缓冲介质夹层结构减振效果较好，因为多层波纹夹层结构振动能量吸收显著大于单层结构，多层瓦楞纸板具有重复抗冲击能力，减小果实的振动损伤程度。
模拟振动试验
运输过程中不同路面造成的冲击和振动之间的加速度存在明显差异，在模拟振动损伤时，必须把冲击和振动分开，达到实际振动随机性。通过模拟运输试验，在实验室内再现实际运输环境，通过包装内果蔬的损伤情况来评定包装系统的减振效果，是目前开发或改进缓冲包装，解决果蔬运输损伤的最有效途径。康维民等通过模拟运输振动试验，确定了运输模拟试验的振动频率、振动加速度、振动时间参数。Thompson等通过模拟振动运输开发了一套新的水果包装系统，当结合一个塑料翻盖或瓦楞纸板控制器时，这套包装运输系统几乎可以防止梨的所有振动损伤。
1振动频率
通过模拟实际运输条件，在一定频率范围内进行振动扫描，确定共振频率。黄翔飞等发现，共振频率随着包装箱层数的增加而增大，箱内梨果实的共振频率随着激励源加速度的增加而减小。在相同加速度条件下，振动频率越小，梨越容易产生损伤。因此，果蔬损伤主要产生在低频范围内，Barchi等研究发现，在频率为13-25Hz范围内，枇杷损伤从底部到顶部逐渐加强。Shahbazi等模拟卡车运输西瓜的研究中也发现，在7.49Hz和13.03Hz产生损伤率峰值。但是，Berardinelli等模拟梨运输振动损伤时发现，振动频率与振动加速度会产生交互作用，在出现振动加速度峰值的频率范围内，不同包装箱所处位置所受的振动加速度不同，因此在减振包装设计时，应考虑到多方面的影响因素。
2振动加速度
振动加速度分为稳定振动条件和随机振动条件下的加速度，随机振动条件下进行模拟振动试验，以随机振动加速度进行实际运输时间的振动，水果的振动损伤和实际运输条件下的相同。振动时间和振动加速度具有相关性，为提高试验效率，缩短试验时间，在进行模拟振动试验时，可以通过改变振动加速度来确定振动时间。模拟振动时间越长，梨果实损伤越大。
振动时间对梨果实损伤也受到包装方式的影响，不同包装方式条件下，梨果实损伤随振动时间的变化不同。振动加速度越大，梨越容易受损伤，西瓜振动损伤随着加速度的增加而增加，而且西瓜肉的损害明显高于西瓜皮。货车前后部的振动加速度幅值最高峰分别是0.51和0.83m/s，车厢后部的振动加速度显著高于车厢前部，使得车厢后部的梨损伤要高于车厢前部同样高度堆放的。在车厢内同一位置，顶部塑料箱所受的振动加速度高于底部塑料箱，因此，装载顶部塑料箱内的梨损伤情况显著高于装在底部塑料箱的。但是Zeebroeck等研究发现在高峰值加速度时，位置从高往低，挤压不断加强，因此苹果受到的挤压损伤逐渐增加。
3振动损伤检测
果蔬模拟损伤运输过程中往复振动产生的损伤，可以根据Palmgren-Miner理论和S-N曲线来定量评价。果蔬因振动引起的机械损伤会产生一系列生理异常，影响果蔬的贮藏，如表皮腐烂、呼吸加强、乙烯释放量增多、电导率升高等。Jiang和Shiina研究表明，以表皮破损程度、呼吸和乙烯、电导率和吸光度为指标，可以评价振动引起的果蔬损伤程度。
由于果蔬损伤后能量吸收发生变化，可以通过能量吸收、声波和超声波、X射线、荧光、核磁共振等物理方法来检测振动损伤。通过实验室模拟公路运输果蔬所受的振动，可以从振动频率、振动加速度和振动时间等不同方面来研究果蔬振动损伤模型，有很强的理论指导意义和现实价值，有助于加强贮运中果蔬保鲜和减少果蔬损伤，同时也是减振包装设计步骤中关键的一环。
减振包装设计
减振包装，又称为防振、隔振包装，它是通过在包装内设计具有高阻尼特性的隔振垫层，使外界振动传递到被包装产品后，产品被激励的加速度不超过脆值，减小产品在功能和形态上的损伤。减振包装设计形式大致可以分为两类：一类是以防冲击破损为主的包装设计，应选择具有强压缩能力、高弹性的材料，适用于冲击破坏强度高于振动破坏强度的产品；另一类是以减振为主的包装设计，侧重强衰减能力、高阻尼特性材料，适用于由于长期运输振动易产生疲劳损伤、脆值低的产品，例如振动敏感性强的水果和蔬菜，因此果蔬的减振包装设计常以防振为主要目标。
减振包装设计的核心在于调节防振衬垫的传送率来控制产品的共振响应，产品、容器以及高阻尼性材料构成产品包装系统，可以看作“质量-弹簧系统”模型，当忽略外包装箱的弹性和缓冲材料的质量时，可视为单自由度线性模型。
果蔬减振包装设计必须按照一定的要求进行。首先，必须确定果蔬流通环境的条件，了解果蔬自身生理和力学特性，设计衬垫材料的结构和尺寸；然后，进行模拟振动损伤试验，确定振动环境条件，主要是振动频率、加速度及最大耐受时间；最后，确定在既定振动环境条件和损伤率下果蔬振动损伤脆值、疲劳损伤阈值，果品允许损伤率的确定要综合考虑果品自身特性、运输条件及综合成本等，确定衬垫材料的种类。在以上基础上，确定不至于引起果品过度损伤的系统振动传递率，选择合适的衬垫，设计合理的包装结构，最后进行振动模拟试验，进行试验校核。
减振技术论文范文3
关键词：桥梁结构，风振，控制
1引言
随着大跨度桥梁的普遍兴建和高效能建桥材料的广泛应用，现代桥梁的结构形态逐渐向大跨、轻、柔方向发展。虽然这对于美观及经济性方面是有益的，但是却给结构设计、施工甚至运营提出了更高更严格的要求。大跨度桥梁作为生命线工程的重要组成部分，在政治、经济领域占据着重要的地位，对于它们的安全性应给予格外的重视。现代桥梁结构趋于轻、柔的特点给结构本身抗风抗震性能提出了考验。随着大跨度柔性桥梁的出现，风荷载往往成为结构上的支配性荷载。风是空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成的。风在行进中遇到结构，就形成风压力，使结构产生振动和变形。桥梁受风力的作用后，结构物振动与风场间产生的互制现象―空气弹力效应所引起的气动力不稳定现象机率大为增加，强风、弱风都有可能使之整体或局部产生损坏。例如，1940年11月7日，美国华盛顿州建成才4个月的老塔科马(Tacoma)悬索桥(主跨853m)仅在8级大风作用下就发生强烈的风致振动而破坏的严重事故。该事件促使了桥梁工程界对结构风致振动的研究，并由此发展了一门新的学科―桥梁风工程学。近几年来，随着我国大跨度桥梁的建设，桥梁风害也时有发生，江西九江长江公铁两用钢拱桥吊杆的涡激共振；上海杨浦大桥斜拉索的涡振和雨振损坏套索等。由此可见，通过对大跨度桥梁的抗风问题进行理论研究，采取有效的措施把风对桥梁的危害控制在容许范围内，具有十分重要的理论价值和实际意义。
2桥梁结构的风致振动
桥梁结构风致振动可分为两大类：一类为限幅振动，主要包括抖振和涡激振；另一类为发散性振动，主要包括驰振和颤振。
桥梁的抖振是指桥梁结构在紊流场作用下的随机性强迫振动。根据现有研究成果，抖振虽然并不像颤振那样引起灾难性的失稳破坏，但是过大的抖振响应在桥梁施工期间可能危及施工人员和机械的安全，在成桥运营阶段则会带来结构刚度问题而影响行人和车辆的舒适性以及引起交变应力缩短构件的疲劳寿命。
气流绕过物体时，在物体两侧会形成不对称脱落的漩涡，从而形成交替作用在物体上的横风向的涡激力或力矩，结构在这种类似简谐力的作用下，就会发生横风向或扭转的涡激振动，并且在漩涡脱落频率与结构的自振频率一致时将发生涡激共振。对桥梁结构而言，除透风率大于50%的桁架主梁可以不考虑涡激振动外，一般均需对主梁整体的涡激振动。此外，大跨度系杆拱桥的吊杆、斜拉桥的斜拉索、悬索桥和斜拉桥在施工阶段的独塔等也易于发生涡激振动。论文参考网。
浸没在气流中的弹性体本身会发生变形或振动，这种变形或振动相当于气体边界条件的改变，从而引起气流力的变化，气流力的变化又会使弹性体产生新的变形或振动，这种气流力与结构相互作用的现象称为气动弹性现象。气动力不稳定是一种典型的气动弹性现象。气流中的结构在某种力的作用下挠曲振动，这种初始挠曲又相继引起一系列具有振荡或发散特点的挠曲，这就是气动弹性不稳定。一切气动弹性不稳定现象都必含有因物体运动而作用在物体上的气动力，这种气动力就是自激力。桥梁结构的驰振与颤振是两种最主要的气动弹性不稳定现象，并可能造成严重的灾难性后果。
3桥梁风振的控制方法
对于大跨径桥梁，风致振动的形式多种多样，各种风致振动的机理也不同。单纯采用空气动力学措施并不能兼顾各个方面。理想的做法是选择适当的空气动力学措施，同时采用适当的振动控制措施(如增加阻尼器)来进一步抑制和减小桥梁结构风致振动。1972年Yao提出了结构控制的概念，将控制论引入了土木工程结构之中，从而开辟了崭新的研究领域。论文参考网。上世纪80年代以来，桥梁风振控制理论研究发展迅速，并且得到了实际应用。就目前技术水平而言，结构振动控制技术主要包括基础隔震、被动耗能减振、主动控制、半主动控制、混合控制及智能控制等。
基础隔震是在上部结构和基础之间设置水平柔性层，延长结构侧向振动的基本周期，使基础隔震结构的基本周期远离地震动的卓越周期，使上部结构的地震作用、横向剪力大幅度减小。同时，结构在地震反应过程中大变形主要集中在基础隔震层处，而结构本身的相对变形很少，此时可近似认为上部结构是一个刚体，从而为建筑物的提供良好的安全保障。
结构耗能减振就是把结构的某些非承重构件(如支撑、剪力墙、连接件等)设计成耗能元件，或在结构的某些部位(层间空间、节点、连接缝等)装设耗能装置。在小幅振动时，这些耗能元件或耗能装置具有足够的初始刚度，处于弹性状态，结构仍具有足够的侧向刚度以满足使用要求。当出现大幅振动时，随着结构侧向变形的增大，耗能元件或耗能装置率先进入非弹性状态，产生较大阻尼，大量消耗输入结构的地震或风振能量。
结构主动控制是在结构受到外部激励而发生振动的过程中，利用外部能源瞬时施加控制力或瞬时改变结构的动力特性，以迅速衰减和控制结构振动反应的一种减振控制技术。结构主动控制需要实时测量结构反应或环境干扰，采用现代控制理论的主动控制算法在精确的结构模型上运算和决策最优控制力，最后作动器在很大的外部能量输入下实现最优控制力。在结构反应观测基础上实现的主动控制成为反馈控制，而结构环境干扰观测基础上实现的主动控制则称为前馈控制。
结构半主动控制是在主动控制的基础上提出的，是一种以参数控制为主的结构控制技术。它是根据控制系统的输入输出要求，利用控制机构来实时调节结构内部的参数，使结构参数处于最优状态。结构半主动控制的原理与结构主动控制的基本相同，只是实施控制力的作动器需要少量的能量调节以便使其主动地甚至可以说是巧妙地利用结构振动的往复相对变形或相对速度，尽可能地实现主动最优控制力。因此，半主动控制作动器通常是被动的刚度或阻尼装置与机械式主动调节器复合的控制系统。
混合控制是主动控制和被动控制的联合应用，使其协调起来共同工作。这种控制系统充分利用了被动控制与主动控制各自的优点，它既可以通过被动控制系统大量耗散振动能量，又可以利用主动控制系统来保证控制效果，比单纯的主动控制能节省大量的能量，因此有着良好的工程应用价值。
把经验和直觉推理、综合判断等人类生物技能应用于一般控制之中，使结构具有感知、辨识、优化和自我控制等功能的控制称为智能控制。论文参考网。结构振动的智能控制是国际振动控制研究的前沿领域，主要涉及智能材料、人工智能、自动控制、力学、电学、机械和计算机等多门学科。结构智能控制主要包括两类：一类是利用智能材料研制的智能减振控制装置对结构实施的局部振动控制；另一类是将模糊逻辑控制、神经网络控制和遗传算法等智能控制算法应用于结构的振动控制。由智能材料制成的智能可调阻尼器和智能材料驱动器等智能减振控制装置构造简单、调节驱动容易、能耗小、反应迅速、时滞小，在结构主动控制、半主动控制、被动控制中有广阔的应用前景。
对于桥梁结构的风振控制，应依据不同的部位，采取响应的振动控制措施。例如，对于桥梁主体的风振控制目前主要采用减振技术。比较成熟的控制装置有调谐质量阻尼器（TMD）、调谐液体阻尼器（TLD）等，其中以TMD应用最为广泛。对于斜拉桥、悬索桥的索塔风振控制装置多采用主动质量驱动器（AMD）及悬挂式TMD。对于拉索振动控制，由于其振动机理比较复杂，因而拉索控制方式的探索也较活跃。大致有三种：其一，耗能减振方式，即采用高阻尼橡胶做成胶圈，安装在拉索的钢导管中。其二，采用专门的阻尼减振器，即在拉索与桥面相交处设置一对阻尼器，用以减小拉索自由长度，反馈拉索振动时的相对位移和相对速度。其三，采用减振副索，即用不锈钢丝绳将斜拉索连起来，借以增强拉索间的互相约束，增大附加阻尼。
4重点研究方向
鉴于桥梁风致振动控制当前存在的不足，应对其成桥后和施工状态下的风振理论及控制进行进一步的研究，主要有：空气振动的控制理论、控制措施、装置及相应的试验研究；数值模拟风洞及空气的动力稳定性计算的计算机仿真技术研究；大跨度桥梁结构体系的空气动力稳定性研究及相应的全桥模型实验；施工阶段空气动力稳定性研究及相应试验；空气动力参数的识别方法、评价及相应的风洞试验。以上问题的研究和解决势必为桥梁的建造产生直接的指导作用，使桥梁的振动控制研究更加科学、经济、可靠。
5结语
经过国内外学者、工程界人士的不断探索和实践，桥梁结构风振控制取得了丰富的研究成果和巨大的进展。虽然目前桥梁风振控制技术在工程中的应用还刚刚起步，还有许多问题尚未解决。但是相信随着科学技术的进步，有关各种技术难题会逐步得到完善，桥梁结构风振控制技术必将会被更广泛的应用到实际工程当中。
减振技术论文范文4
关键词： 金属橡胶；阻尼减振；转子支承系统
中图分类号：F767.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）17-0059-02
0 引言
金属橡胶材料起源于二十世纪70年代初期的前苏联，是通过将具有一定质量的、拉伸开的、螺旋状的金属丝有序地排放并制成毛坯，然后用冷冲压成型并经热处理而成的新型精细结构材料[1]。由于其内部有很多孔洞，既呈现类似橡胶材料的弹性和阻尼性能，又保持着金属的优异特性，俗称金属橡胶（Metal Rubber）。目前，俄罗斯在这个研究领域处于领先地位，并已经广泛的应用于航空航天等领域[2]。我国对金属橡胶技术研究虽然仅有十几年的时间，却得到了越来越多的重视，并已经在大型工业设备的减振密封领域和航天航空等领域得到了实际应用。金属橡胶的制备工艺、相关理论和性能特点等已经开始被广泛研究，本文作者通过分析、总结相关研究文献，重点介绍了金属橡胶在转子支承系统中阻尼减振方面的应用研究。
1 金属橡胶的阻尼减振性能
金属橡胶内部呈现出金属丝相互交错勾联形成的空间网状结构，这种类似橡胶的大分子链状形态使他它具有一定的刚度，振动时金属丝之间产生挤压、滑移和干摩擦，又可以耗散大量的振动能量，从而起到阻尼减振的作用[1]。与橡胶材料不同的是，由于金属橡胶的原材料及制造工艺和橡胶材料存在巨大的差异，二者之间所表现出来的弹性阻尼变化规律也就存在着明显的不同。由于金属橡胶材料的稳定性和硬度几何特性，保证了其弹性阻尼特性主要受载荷频率和变形幅值的影响，而受环境温度的影响很小。
2 金属橡胶在转子支承系统中的阻尼减振应用
由于金属橡胶阻尼减振构件具有阻尼性能好、重量轻、且易制成各种形状、环境适应能力强、可调节刚度等一系列优点，在高速旋转机械中的得到了成功的应[2-4]。王新、朱梓根等[5]在1997年开发出了一种环形金属橡胶减振器阻尼器（RMRD）并用于转子支承系统。实验研究表明，这种金属橡胶减振阻尼器具有很好的减振性能，甚至超过了挤压油膜阻尼器，而且有效地解决了非线性问题。郭宝亭等人[4]通过把环形金属橡胶减振器与折叠式鼠笼弹支形成组合支承，这种折返式鼠笼弹支主要来提供组合弹支的刚度，而金属橡胶材料结构提供阻尼和部分刚度，即主要利用金属橡胶材料的刚度特性的线性段和软特性段。随着转速的不断增大，当转速达到某阶临界转速时，振动达到最大，此时可以充分发挥金属橡胶材料结构的阻尼耗能作用，降低和减弱转子在临界转速时的振动。同时增大转子系统的阻尼，抑制转子系统的自激振动，提高失稳阈值转速。郭等人还把该组合支承应用在了氢涡轮泵转子上，试验研究及理论分析结果表明，金属橡胶减振器减振效果十分明显，与其它类型的减振阻尼器相比，具有制作工艺、安装条件几乎不受限制的特点。马艳红[6]提出了一种带有金属橡胶外环的自适应挤压油膜阻尼器，该阻尼器油膜外环是金属橡胶制成，油膜力和金属橡胶弹性环复杂的流固耦合作用改善了系统高度非线性，研究表明：这种自适应挤压油膜阻尼器能够更好的抑制转子系统的非协调响应，具有更好的减振效果。
姜洪源等在2009年提出了一种新型金属橡胶挤压油膜阻尼器（SFD/MR）[7]。该阻尼器的与传统的挤压油膜阻尼器相比，具有充分能够利用金属橡胶弹性阻尼与节流特性的突出特点，在该阻尼器的可动外环与壳体之间安装了金属橡胶弹性环，轴颈与可动外环的轴向端面安装了金属橡胶端部密封环。金属橡胶环弹性特性能有效地改善系统的非线性，一定程度上缓解了传统挤压油膜阻尼器的刚度非线性问题。谢振宇等[8]在磁悬浮轴承柔性转子系统中同时引入磁悬浮阻尼器和金属橡胶环，通过系统高速旋转实验分析并理论分析了金属橡胶环和磁悬浮阻尼器对系统不平衡振动的影响，结果表明，金属橡胶环和磁悬浮阻尼器的同时引入，可以减小转子在整个转速范围内的不平衡振幅，保障系统可靠的运行。李胜波等[2]建立了金属橡胶构件迟滞回线边界变形过程力学模型，针对不同相对密度金属橡胶构件，推导了出了非线性迟滞恢复力表达式。同时对金属橡胶阻尼环进行了实验研究，分析了简谐激励载荷作用下阻尼环动力学的特性，并把该阻尼环用于圆锥滑动轴承-转子实验系统[3]，研究了在不平衡力等径向载荷和轴向载荷作用下，轴向力对金属橡胶阻尼器刚度和能量好散系数的影响，为进一步研究金属橡胶阻尼环在转子支承系统上的应用奠定了基础。
3 结语
目前，无论是在实验方面还是理论方面，尽管研究人员已经对金属橡胶材料及其在转子支承系统方面应用的研究取得了一定的进展，但由于金属橡胶材料在国内发展时间较短，许多方面的研究还不够成熟，需要进一步深入研究：例如，由于金属橡胶的结构和制造工艺的特殊性，在制造过程中金属丝螺旋圈直径、螺旋卷的拉伸缠绕方式、最后冷压成型的压力、保持时间、压制速度等都是影响金属橡胶构件性能的主要因素，这些因素的变化都可能使金属橡胶模型参数存在着不确定性，在使用过程中由于预紧力的变化，摩擦磨损等因素的影响，都将导致其模型参数产生不确定性，因此要想设计出更具鲁棒性的振动抑制系统，就必须探索新的设计方法及理念。
参考文献：
[1]李玉龙，何忠波，白鸿柏等.金属橡胶的研究及应用进展[J]. 兵器材料科学与工程，2011，34（1）：101-108.
[2]李胜波，闫辉，姜洪源，陈亮.应用于高速转子系统的金属橡胶阻尼环动力特性分析[J].物理学报，2012（01）.
[3]李胜波，闫辉，姜洪源等.圆锥滑动轴承-转子系统中金属橡胶阻尼器力学性能研究[J].功能材料，2011，42（1）.
[4]郭宝亭，朱梓根.金属橡胶阻尼器在转子系统中的应用[J]. 航空动力学报，2003，18（5）：663-668.
[5]王新，朱梓根.环形金属橡胶减振器[J].航空动力学报，1997， 12（2）：143-145.
[6]马艳红.金属橡胶外环自适应挤压油膜阻尼器实验研究[D].北京航空航天大学硕士学位论文，2002：55.
减振技术论文范文5
关键词 轨道结构，整体道床轨道，嵌入式轨道
轨道结构按其轨下基础型式可分为有碴轨道和无碴轨道。有碴轨道作为传统的轨道结构，其主要的缺点是养护维修费用较高。与有碴轨道相比， 无碴轨道具有少维修、结构整体性和稳定性好的优点，因此很适用于城市轨道交通。且已成为城市轨道交通中轨道结构的主要型式。然而，由于无碴轨道下部基础采用混凝土结构，与有碴轨道相比较， 会产生更大的振动和噪声。因此，有必要发展新型的无碴轨道或对现有轨道结构进行改善，即发展低噪声少养护的轨道结构。嵌入式钢轨技术的发展和应用，代表着轨道结构设计的巨大进步。
1 嵌入式轨道结构
传统的轨道结构，其钢轨和轨枕(或整体道床) 是通过扣件连接的，钢轨的支撑和固定都是离散的，钢轨完全暴露在空气中。嵌入式轨道结构则采用连续的固定和支撑方式，其基本做法是:用一种叫Corklast 的弹性体将钢轨固定在钢筋混凝土板整体道床的凹槽内，整个钢轨几乎完全埋置在弹性体中，除了必要的信号电缆和牵引供电电缆外，在钢轨和混凝土之间以及两条钢轨之间没有任何的机械联结(图1) 。嵌入式轨道结构具有以下优于传统非连续支承轨道结构的优点: ① 减小了轨道结构的厚度，厚度只有200 mm ; ② 不仅在设计上有很大的自由度，而且由于钢轨是连续支撑的，减少了钢轨疲劳的发生; ③ 不需要轨距拉杆、混凝土轨枕和钢轨联结部件; ④ 由于周围的线路路基可以和钢轨面齐平，对平交道口和库内工作很理想; ⑤ 具有良好的减振降噪性能和少养护维修的特点。
图1 嵌入式轨道结构横断面图
嵌入式轨道结构的减振降噪原理主要体现在以下3 个方面: ① 钢轨完全由槽内弹性体和轨下弹性条连续固定和支承，优化了整个轨道结构在水平和竖向的刚度;其垂向弹性由轨下弹性条和槽内弹性体共同提供，很大程度上模拟了传统有碴轨道结构的受荷响应。② 传统轨道结构采用离散的钢轨支承方式，在列车的反复荷载作用下，导致钢轨产生不平顺性，增加了轨道结构的振动响应;而嵌入式轨道结构采用连续的弹性支承，大大降低了钢轨的不平顺性，从而减少了轨道结构的振动。③ 由于钢轨几乎完全埋置在弹性体内，减少了噪声源，也减少了噪声的反射面积，起到了降噪的作用。荷兰的实验研究表明，同样采用U IC 54 钢轨，嵌入式轨道结构的噪声只比传统的有碴轨道结构高2 dB (A) ，其减振效果在10 dB (A) 左右。
2 嵌入式轨道结构的设计优化
对嵌入式轨道结构的进一步发展就是优化其减振降噪性能，降低其造价。由于嵌入式轨道结构比较简单，没有扣件等连接零件，因此，其优化的着眼点应该是钢轨本身和弹性体。为了降低列车通过时轨道结构引起的振动和噪声，荷兰在开发板式轨道时，研制了轨头形状与U IC 54 相似的SA42 型矮轨，并采用嵌入式轨道结构技术(图2) 。这种新型低噪声嵌入式轻型钢轨，每米仅重42 kg ， 高8 cm ， 其相应的凹槽体积要小的多，从而可以节约多达60 % 的弹性体，减少了轨道结构的高度，降低了工程造价。由于这种钢轨矮胖，车辆通过时引起钢轨腹板的振动频率较低，提高了轨道结构减振降噪效果，与采用U IC 54 钢轨的有碴轨道结构比较， 可以减少噪声约5～7 dB (A) 。
图2 新型低噪音嵌入式钢轨
转贴于 3 嵌入式轨道结构的下部基础
嵌入式钢轨的调整定位是一项复杂精密的工作，而且钢轨定位以后就不能做横向和竖向调整。因此，对其下部基础提出了严格的要求。一般来说，有以下两种类型的下部基础适合于嵌入式轨道结构: ① 混凝土板式道床，这是最典型的嵌入式轨道结构，道床采用预应力加强混凝土板，沿线路的纵向和横向分别施加了比例高达1. 5 % 的预应力。这种类型的轨道结构在荷兰的铁路干线和轻轨线路上，尤其在桥梁和平交线路上，都有很大程度的使用，其结构如图3 所示。② 采用箱型梁作为下部基础。在这种轨道结构中，箱型梁直接放在土路基上，路基的沟槽形状和梁体相吻合;整个梁的重量不大于挖出的土体的重量，这样梁下的土体不会发生大的沉降和变形(图4) 。箱梁具有和桥梁相当的挠曲刚度，能够保证轨道结构正确的几何形位， 因此非常适合于嵌入式轨道结构。
图3 采用板式轨道结构
图4 采用箱型梁轨道结构
4 结语
伴随着城市轨道交通的大规模发展，轨道交通沿线噪声和振动问题越来越引起人们的重视。嵌入式轨道结构作为一种新型的减振降噪型轨道结构，在荷兰至德国的运输干线上已经有17 年的运营经验，另外在欧洲很多地方的车站和桥梁上也得到了广泛的应用。由于嵌入式轨道结构采用连续的弹性支承，钢轨内部的疲劳应力很小，减少了钢轨的磨耗，改善了车辆的运行性能，并一定程度上提高了列车运行的舒适度，轨道结构非常安全。在使用寿命方面，嵌入式轨道结构比传统的有碴轨道结构长50 % 。荷兰的研究表明，嵌入式轨道结构不仅少振动低噪声，而且其养护维修费用很低，总体造价比较经济，符合未来轨道结构的发展要求。但是由于其施工工艺复杂，而且我国还没有生产这种弹性体的厂家，因此，目前我国还不宜大规模铺设。目前宜先进行室内实验研究，并在一些对噪声和振动比较敏感的地段，考虑铺设嵌入式轨道结构，以开展相应的试验工作。
参 考 文 献
1 Jelte Bos. Low Noise Track. Rail International ， 1999 ， (1) :17～22
2 Jelte Bos ，Herke Stuit ，Deck Track. Rail Interational ， 2000 ，(1) :30～37
3 Valeri Markine ，Amy de Manm ， Stasha Jovanoovic ， Coenraad Esveld. Modelling and Optimization of an Embedded Rail Struc2 ture. 2000
减振技术论文范文6
关键词 轨道交通系统 环境 振动影响分类号
1 国内外研究工作概况
随着现代工业的迅速发展和城市规模的日益扩大，振动对大都市生活环境和工作环境的影响引起了人们的普遍注意. 国际上已把振动列为七大环境公害之一，并开始着手研究振动的污染规律、产生的原因、传播途径、控制方法以及对人体的危害等. 据有关国家统计，除工厂、企业和建筑工程外，交通系统引起的环境振动(主要是引起建筑物的振动) 是公众反映中最为强烈的[ 1 ]. 随着城市的发展，在交通系统设计规划中，对环境影响的考虑越来越多. 这主要因为过去城市建筑群相对稀疏，而现在，随着城市建设的迅猛发展， 多层高架道路、地下铁道、轻轨交通正日益形成一个立体空间交通体系，从地下、地面和空中逐步深入到城市中密集的居民点、商业中心和工业区. 如日本东京市内的交通道路很多已达到5 ～7 层，离建筑物的最短距离小到只有几米，加上交通密度的不断增加，使得振动的影响日益增大. 交通车辆引起的结构振动通过周围地层向外传播，进一步诱发建筑物的二次振动，对建筑物特别是古旧建筑物的结构安全以及其中居民的工作和日常生活产生了很大的影响. 例如在捷克，繁忙的公路和轨道交通线附近，一些砖石结构的古建筑因车辆通过时引起的振动而产生了裂缝，其中布拉格、哈斯特帕斯和霍索夫等地区发生了由于裂缝不断扩大导致古教堂倒塌的恶性事件. 在北京西直门附近，距铁路线约150 m 处一座五层楼内的居民反映，当列车通过时可感到室内有较强的振动，且受振动影响一段时间后，室内家具也发生了错位. 另外，由于人们对生活质量的要求越来越高，对于同样水平的振动，过去可能不被认为是什么问题，而现在却越来越多地引起公众的强烈反应. 这些都对交通系统引起的结构振动及其对周围环境影响的研究提出了新的要求，也引起了各国研究人员的高度重视[ 2～21 ].
日本是振动环境污染最为严重的国家之一，在其“公害对策基本法”中，明确振动为七个典型公害之一的同时，还规定了必须采取有效措施来限制振动. 在“ 限制振动法”中，特别对交通振动规定了措施要求，以保护生活环境和人民的健康. T. Fujikake 、青木一郎和K. Hayakawa 等[ 9 ，17 ，21 ] 分别就交通车辆引起的结构振动发生机理、振动波在地下和地面的传播规律及其对周围居民的影响进行了研究，提出了周围环境振动水平的预测方法.
面对公众的强烈反映，英国铁路管理局研究发展部技术中心对车辆引起的地面振动进行了测试，主要就行车速度、激振频率和轨道参数的相关关系以及共振现象进行了实验研究. 瑞士联邦铁路和国际铁路联盟(U IC) 实验研究所(ORE) 共同执行了一项计划，以A. Zach 和G. Rutishauser 为首的研究小组研究了地铁列车和隧道结构的振动频率和加速度特征，从改善线路结构的角度提出了降低地铁列车振动对附近地下及地面结构振动影响的途径. 美国G. P. Wilson 等针对铁路车辆引起的噪声和振动，提出了通过改善道床结构形式(采用浮板式道床) 和改革车辆转向架构造以减少轮轨接触力的方法，降低地铁车辆引起的噪声和振动的议.
交通车辆引起的结构和地面振动是城市交通规划中的一个重要问题，由其进一步引发的周边建筑物振动以及相应的振动控制和减振措施，在规划和设计的最初阶段就应加以考虑. 为此，德国的J . Melke 等提出了一种基于脉冲激励和测试分析的诊断测试方法，来预测市区铁路线附近建筑物地面振动水平，并通过不同测点数据的传递函数分析研究了振动波的传播规律. F. E. Richart 和R. D. Woods 等则针对隔振沟和板桩墙等隔振措施进行了实验研究.
此外，西班牙、捷克等国在这些方面也做了大量的测试、调查和研究工作，通过对几种不同场地土的测试结果统计，分析了列车引起的地面振动波的传播和衰减特性，并从降低行车速度、减轻荷载重量、提高路面平整度等方面提出了减少振害的措施.
在国内，虽然城市建设起步得较晚，但随着现代化的进程，交通系统大规模发展的趋势是极为迅速的. 由于轨道交通系统具有运量大、速度快、安全可靠、对环境污染小、不占用地面道路等优点，成为缓解城市交通拥挤和减少污染的一种有效手段. 目前，我国已经拥有或正在建设地下铁道的城市越来越多，不少城市还在筹建高架轻轨交通系统. 近年来在城市交通系统建设中，对于振动可能影响环境和周边建筑物内居民生活和工作的问题也进行了预测，如拟议中的西直门至颐和园轻轨快速交通系统可能对附近的文化和科研机构产生振动影响、地铁南北中轴线可能对故宫等古建筑产生振动影响、拟建的京沪高速铁路沪宁段高速列车对苏州虎丘塔可能产生振动影响等. 为此，国内不少单位已开始结合北京、上海、沈阳等一些大城市修建地铁、轻轨交通系统时车辆引起的环境振动问题进行研究，发表了初步的研究成果[ 22～43 ].
2 振动的产生、传播规律及其对环境的影响
对我国几个典型城市的调查结果表明，交通车辆引起的环境振动水平较高. 根据铁路部门的实测，距线路中心线30 m 附近的振动可达80 dB. 地铁列车通过时，在地面建筑物上引起振动的持续时间大约为10 s. 在一条线路上，高峰时，两个方向1 h 内可通过30 对列车或更多， 振动作用的持续时间可达到总工作时间的15 %～20 %. 最近在我国某城市地铁车辆段附近进行了现场测试，结果表明，当地铁列车以15～20 km/ h 的速度通过时，地铁正上方居民住宅的振动高达85 dB ， 如果列车速度达到正常运行的70 km/ h 时，其振级可能还要大得多. 可见由列车运行引起的环境振动已不同程度地影响了居民的日常生活.
在轨道交通系统中，由运行列车对轨道的冲击作用产生振动，并通过结构(隧道基础和衬砌或桥梁的墩台及其基础) 传递到周围的地层，进而通过土壤向四周传播，诱发了附近地下结构以及建筑物(包括其结构和室内家具) 的二次振动和噪声. 对于地下铁道，其影响因素主要有列车速度、车辆重量、隧道基础和衬砌结构类型、轨道类型、是否采用了隔振措施等，此外列车与轨道的动力相互作用也会加大振动作用.
有调查表明，地铁列车在隧道内高速运行时，距轨道水平距离1. 5 m 处，振级平均值为81 dB ;24 m 处，振级平均值为71. 6 dB. 这说明随着距轨道水平距离的增加，振级将不断衰减. 此外，地铁振动影响的范围在很大程度上还取决于列车通过的速度及隧道的埋深. 速度越高，振动干扰越强，影响范围越大(列车速度每提高一倍，隧道和地面的振动增加4～6 dB) ;埋深越大，影响范围越小. 文献[25 ] 采用计算机模拟的方法得到地铁列车引起的地面振动随距离的分布:在距隧道中心线40 m 左右的地面为加速度的局部放大区;对于1～3 Hz 的低频振动加速度，尽管幅值大小不同，都在0 、36 、60 m 附近出现了放大区;对于5～6 Hz 的中频加速度，只有0 m 和30 m 二个放大区，距离再大时就迅速衰减;对> 8 Hz 的高频加速度则随距离的增加而逐渐衰减. 北京曾就地铁列车对环境的振动影响进行过实测，得到了与上述分布规律相同的结果.
对于高架轻轨系统，其影响因素主要有列车速度、车辆重量、桥梁结构类型和基础类型、桥梁跨度、刚度、挠度等，列车与桥梁的动力相互作用也会加大振动作用. 目前国内尚无建成的高架轻轨系统，无法进行现场测试. 但文献[22 ，23 ] 通过力学计算、文献[29 ] 通过对铁路高架桥和路基线路的实测分析，求得高架轻轨系统在列车运行时所引起的周围地层的振动特性，得出了以下结论:
(1) 轻轨列车振动所引起的地面振动，在某一距离范围内，随距线路距离的增加而衰减，在达一定距离后会出现反弹增大(约在40～60 m 间)，但总趋势是随距离的增大而逐渐衰减.
(2) 轻轨系统桥梁的基础类型对地面振动的影响非常大. 采用桩基时，地面振动的位移、速度、加速度值均比采用平基时的小许多，且桩基时，地面振动随距线路距离的增加而衰减的速度也较平基时大. 甚至由于采用了不同的桥梁基础，沿线建筑不同楼层的振动响应也有所不同. 采用浅平基础时，上面楼层的响应比下面楼层的强烈，采用桩基时各楼层的差别就小得多. (3) 高架桥线路与路基线路相比，环境振动将大幅度降低. 距线路中心线30 m 处的振动强度可降低5～10 dB.
(4) 高架轻轨的桥梁结构设计应注意避免车桥产生共振，以减小对系统振动的影响.
列车运行对大地产生的振动主要以三种波的形式传播，即横波、纵波和表面波. 日本Erichi Taniguehi 等的研究表明:位于地下2 m 深处振动加速度值为地表的20 %～50 % ;4 m 深处为10 %～30 %. 可见在车辆运行产生的环境振动中，表面波占主要地位.
由于能量的扩散和土壤对振动能量的吸收，振动波在传播过程中将有所衰减. 不同类型的振源，不同的振动方向，不同的传播方向以及不同的土介质，对振动的衰减也是有区别的.
据文献[ 2 ，29 ，30 ，34 ] 的实测结果知，振动强度的分布具有以下特点:从振源的频率分布上看，以人体反应比较敏感的低频为主，其中50～60 Hz 的振动强度较大;从列车速度的影响上看，随行车速度的提高，振动有增大的趋势;就地面振动随距离的衰减而言，距轨道中心线越近，同一列车引起的地面振动就越大，反之则越小. 很多文献认为列车运行所产生的地面振动随距线路距离增加而有较大的衰减是一般规律，见图1 (a) . 但是也有文献得出了不同的结果: 文献[38 ] 和[ 42 ] 曾分别在桥梁(京沈线滦河桥，跨度32 m 上承式钢板梁桥，桥墩高8～10 m ， 车速50～80 km/ h) 和线路附近(京广线，车速25～110 km/ h) 测试了列车通过时地面振动加速度随距离的变化规律，结果分别见图1(b) 和(c) . 图1 中G 为振级;ε为各测点加速度与路基处加速度的比值. 可以发现地面振动分别在距桥墩60 m 左右处和距线路40 m 左右处出现了加速度反弹增大的现象. 这一测试结果是与理论计算的结果相吻合的[43 ]. (a) 位置分布(b) 桥梁附近(c) 线路附近
随距离增大而振动强度减弱的规律也适用于沿线建筑. 由于列车引起的地面水平方向振动，在传导过程中的衰减要快于垂直方向的振动，因而沿线建筑物内垂直方向的振动将大于水平方向的振动. 实测结果表明:建筑物的水平振动一般约小于垂直振动10 dB[41 ] ，因此在评价建筑物受铁路环境振动的影响时，可以垂直方向的振动为主. 就不同楼层而言，一般来说，中低层建筑，特别是4 层以下的，随着楼层的增加，振动的强度有增大的趋势. 文献[41 ] 对7 座3～5 层楼房的测试结果和文献[ 43 ] 的理论分析结果都表明:在距列车不同的距离上，3～5 层的振动强度均比1 层高出约3～5dB.
随列车速度的提高，附近建筑物内的振动有增大的趋势(尤其是楼房) [ 41 ，43 ]. 而由列车引起的沿线地面建筑物振动，其振级的大小与建筑物的结构形式、基础类型以及距地铁的距离有密切的联系. 对于基础良好、质量较大的高层钢筋混凝土建筑，由于其固有频率低，不易被激起较大的振动，因而其振级较之自土壤传来的振级可衰减10～20 dB. 在距地铁隧道水平距离32 m 处，高层建筑地下室内实测振级不大于60 dB ，1 层以上则测不出地铁行驶时引起的振级;基础一般的砖混结构住宅楼可衰减5～10 dB ; 而基础较差的建筑，如轻质结构或浅基础建筑，则衰减量很小，其振级与土壤振级接近，甚至还会出现室内振动大于室外地面振动的情况.
3 减振隔振控制措施
如前所述，城市轨道交通系统产生的振动可以通过结构和周围地层传播到振动影响到的区域或个人. 为降低振动或控制振动的不利影响，可从降低振源的激振强度、切断振动的传播 途径或在传播途径上削弱振动、合理规划设计使建筑物避开振动影响区等几个方面着手. 根据有关资料，减少振源振动可采取以下几种措施[ 13 ， 34 ]:
(1) 采用60 kg/m 以上的重轨，并应尽量采用无缝线路. 重轨具有寿命长，稳定性能和抗振性能良好的特点，无缝线路则可消除车轮对轨道接头的撞击.
(2) 减轻车辆的簧下质量，避免车辆与轨道产生共振，这样可降低振动强度10～15 dB.
(3) 对于地铁而言，适当增加埋深，使振动振幅随距离(深度) 增加而加大衰减;采用较重的隧道结构也可降低振动幅度.
(4) 对于在地面上运行的轻轨系统，应首先考虑采用高架桥梁. 与普通路基相比较，高架系统不但产生的振动要小，而且占地面积也小，特别适合市区.
(5) 高架轻轨系统的桥梁应优先采用混凝土梁以及整体性好、振动较小的结构形式;合理设计跨度和自振特性，以避免高速运行的列车与结构产生共振. 另外，墩台采用桩基础，可获得较浅平基础好的减振效果.
(6) 采用合适的道床和轨道结构型式，增加轨道的弹性. 瑞士联邦铁路和比利时布鲁塞尔自由大学等都在研究新型的弹性轨枕和复合轨枕以减小动力冲击力，并将有效地降低车辆、轨道和附近环境的振动.
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对地铁而言，为减少维修工作量，一般都采用整体道床，其中包套式短枕整体道床、塑料短枕整体道床、浮置板式整体道床等几种道床型式都可起到减振作用. 对高架轻轨而言，道床结构形式主要有两种:一是有碴式道床结构型式，二是无碴道床结构型式. 从国外情况看，美国、加拿大多采用无碴式整体道床，德国、新加坡多采用有碴道床，香港地铁高架部分均采用无碴道床，日本轻轨采用有碴道床和混凝土板式道床.
从减振效果来说碎石道床优于整体道床，但碎石道床具有稳定性较差、养护工作量大、自重较大、轨道建筑高度较大且道床易污染等缺点，所以宜采用整体道床，其弹性不足的问题可以利用减振效果好的弹性扣件或其它减振措施弥补. 整体道床包括无枕式整体道床，短枕式整体道床，长枕式整体道床和纵向浮置板式整体道床. 其中纵向浮置板式整体道床减振效果显著，尤其是低频域减振效果更好. 无论是有碴道床还是整体道床，都可在道碴或凝土板下面设置橡胶减振垫，减振效果可达10～15 dB[ 2 ，4 ，14 ，34 ] . 采用适当的弹性扣件，可以增加整体道床的弹性. 例如，在北京地铁使用的D TI 型和D TV 型扣件中，D TV 型扣件经过室内试验比D TI 型扣件可减少振动5～8 dB.
弹性垫层是增加扣件弹性的重要组成部分. 要改善整体道床的缺点，可采用高弹性垫层， 以提供轨道所需用的弹性，缓冲列车的动力作用. 北京地铁一二期工程采用轨下10 mm 橡胶垫板、铁垫板下一层塑料垫板作为弹性垫层，但发现弹性不足. 北京新建的地铁和上海地铁采用轨下一层、铁垫板下两层圆柱型橡胶垫板，均能满足一般地段需要. 需要指出的是，道床型式、扣件型式及弹性垫层之间都要有合理的匹配关系. 为阻止表面波的传播，可采取切断振动传播途径或在传播途径上削弱振动的措施. 在地表层采取挖沟、筑墙等措施有一定效果. 有三种隔离模式:弹性基础、明沟和充填式沟渠. 弹性基础对较高频率的隔振效果较好，但由于弹性基础的存在，轨道上的最大低频加速度会被放大， 所以无论是对运行列车的平稳性还是对于周围环境的隔振来说，弹性基础并不是很理想的方法;对于明沟和充填式沟渠，一般来说，减振沟越深，其有效隔振频率的下限就越低，减振效果越好，它们可以完全切断振动波的传播，只要沟的深度足够，就可以获得理想的隔振效果.
减振墙也常用来作隔振使用，其效能与减振沟类似. 有试验表明，减振墙的板质、厚度和深度对减振效果均有影响. 向地层下打入柱桩，形成柱列或柱阵可以获得显著的减振效果，国外已成功地采用这种措施防止地铁和其它振动对建筑物的干扰. 对于点振源，在其周围设置由具有一定质量的隔振材料形成的阻波区( Wave Impeding Block) ，可以很好地隔绝振动波的扩散. 阻波区隔振的基本原理是利用隔振材料的振动来吸收振源传出的振动能量，其减振效果与隔振材料的质量和埋置深度、阻波区的宽度有关. 台湾某高架桥系统，在桥墩的周围设置环状的阻波区后，环外地层的振动强度下降了5～15 dB[ 45 ].
4 减轻轨道交通系统对周边建筑物振动影响的规划设计原则
根据国内外的研究成果，为减轻轨道交通系统对周边建筑物的振动影响，规划设计中应遵循以下原则:
(1) 规定地面建筑物到地铁隧道或高架轻轨线路的水平距离，必须在古建筑附近修建地铁时，还应规定地铁隧道的埋深，以利用振动能量的传播衰减来降低振动水平.
(2) 对新规划的建筑物，应使其位置避开振动波传播的放大区;对既有的古旧建筑物或其它对振动敏感的建筑物，在规划轨道交通线时，应使振动放大区离开它们的位置.
(3) 在地铁及高架轻轨沿线的建筑物应以基础结构牢固的楼房为主，避免建造轻质结构或基础较浅的房屋. 建筑物的振动特性应合理设计，以防止其振动频率与列车产生的振动一致而形成共振.
(4) 在轨道交通规划布局中，应充分老虑利用振动波的天然屏障，如河流、高大建筑物等， 来隔绝振动的影响.
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