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減振技術論文范文1
隨著經濟的發展，當前交通運輸業尤其是民航業呈現快速發展的態勢，但是由于受到內部和外部等不確定因素的干擾，飛機失事的概率逐漸增加［1］。救生艙中氧氣的精準供應，可為救援人員以及被困人員提供可靠的救生艙內氧氣資源使用數據，進而提高受困人員得生幾率［2，3］。為了確保人民群眾的生命安全，尋求合理的方法對飛機失事后救生艙中氧氣系統進行準確建模和控制，成為相關人員分析的重點問題［4，5］。飛機失事后的救生艙相關參數具有隨機性和不確定性，飛機失事后面臨的破壞性和環境都是大隨機事件，救生艙氧氣系統的控制需要對壓力、氣體溫度和氧氣系統參數的時間差數據的準確掌握，實現氧氣系統性能的定量評估，而這些參數又很容易受到失事時外部環境的影響，無法預先設定。傳統的氧氣系統控制模型無法準確評估參數在惡化環境下的變化過程，僅能通過設定固定參數評估短期機組氧氣性能變化情況，存在較大缺陷。通過對救生艙氧氣系統壓力、氣體溫度和氧氣系統參數的時間差數據的處理，獲取分析機組氧氣性能得有價值數據，提出一種基于改進遺傳算法的自抗擾控制器氧氣系統參數優化模型，塑造考慮控制約束的自抗擾控制器參數優化設計目標函數，通過一種改進自適應混沌遺傳算法對氧氣系統參數進行整定，實現失事飛機救生艙內氧氣系統的有效控制。仿真結果表明，所提控制模型增強了系統得動態性和靜態性，可有效應對系統參數的動態性，具有較高得控制性能。
2救生艙氧氣系統數學模型
為了估測救生艙氧氣系統的性能，首先需得到救生艙氧氣系統壓力P、氣體溫度T和氧氣系統參數的時間差t。依據氧氣系統結構該中含有一個壓力傳感器，可通過瓶體氧氣壓力進行讀數。由于該系統不含溫度傳感器，因此對正常氣密性下的某飛機1個月的108個數據點進行采集，完成對上述數據點氧氣壓力值、外界環境溫度以及駕駛艙內溫度的偏相關分析，從而得到瓶體內氣體的溫度。偏相關性分析通常應用于各種相關的變量中，清除其中的變量干擾后，得到兩兩變量之間的簡單相關關系。采用偏相關來分析消除氧氣系統本身的滲漏率干擾后，外界環境溫度與駕駛艙溫度對氣瓶壓力的相關性。通過偏相關對其進行研究可知，駕駛艙內溫度、外界環境溫度以及氧氣系統壓力參數和氧氣壓力的相關性。氧氣壓力值主要受外界溫度以及駕駛艙溫度的影響，并且受外界環境溫度的影響更大一些?；趤碜钥湛偷馁Y料，可將瓶體內氣體溫度擬合公式描述成T=(TAT+Tc)/2，其中TAT表示外界溫度、Tc表示駕駛艙溫度。在通過點與點相比得到壓差的過程中，為了使點和點在同一標準下完成比較，通過理想氣體方程P1/T1=P2/T2，將壓力轉變成相同環境溫度下的壓力PS，各點的壓力值均具有可比性，從而可得航段滲漏率PL=PS/t=(PS1－PS2)/(t2－t1)，其中t1表示飛機著陸時間，t2表示為飛機起航時間。上述理想氣體方程還可應用于任一溫度下機組氧氣系統壓力的預測，從而降低了由于冬季航行前后溫差較大而引起的需頻繁更換氧氣瓶的工作量，提高了工作效率。因為飛行航段時間間隔較短，系統壓力值波動不大，易受到外界溫度擬合精度以及壓力傳感器探測精度的干擾，造成最終得到的壓力值變化很大。通過比較兩個間隔超過24小時的點的壓力值來解決上述問題，假設間隔24小時的滲漏率用PL24表示，為了清除采樣過程中數據壞點的干擾，需完成對其的3天滾動平均，最終即可得到能夠體現系統性能特性的24小時3天滾動平均滲漏率ΔPLavg24。ΔPLavg24=∑I=nI=1(PL24－1+…+PL24－n)/n(1)其中，n表示3天中點的總量。經以上處理后可基本得到研究機組氧氣性能的有關數據。而對氧氣系統效果的分析，和對氧氣使用時間的估計則可采用一元線性回歸法，其方法僅分析一個自變和一個因變量之間的統計關系。主要通過其分析標態氧氣壓力值PS和氣瓶安裝時間To的統計關系。假設PS和To的關系滿足式(2):PS=U1+U2*To+_(2)其中，PS表示被解釋變量，To表示解釋變量，U1、U2表示待估計參數，_表示隨機干擾項，其主要體現了PS被To解釋的不確定性。通過普通最小二乘法對一元線性回歸進行求解，具體的求解公式如下:Toavg=∑nI=1(To1+…+Ton)/n(3)PSavg=∑nI=1(PS1+…+PSn)/n(4)其中，Toavg表示解釋變量均值，PSavg表示被解釋變量均值。U2=∑［(To－Tovag)*(PS－PSavg)］/∑(To－Toavg)2(5)U1=PSavg－U2Tovag(6)氧氣系統固有的氣密性能隨U2的降低而降低。U1值主要和各時間段有關，對性能分析不產生任何影響。該方法可完成氧氣系統性能的機隊排序，但是不能識別單機的性能惡化，僅可實現對未更換氧氣瓶以及充氧數據的監控。而對于時間段較長的機組氧氣性能改變的監測只能采用相互獨立樣本T檢驗的方法來完成，該方法能夠分析短期機組氧氣性能惡化的狀態。該方法先采集前后兩個時間段的PLavg24數據樣本，通過比較上述兩組數據的變化程度對機組氧氣系統出現惡化的時間段以及惡化程度進行判斷，該種方法不能完成整個機隊的氧氣系統性能排序。具體公式如下F=S21/S22(7)其中，S21表示上一時間段n項數據PLavg24的方差，S22表示下一時間段m項數據的方差，式(7F(n－1，m－1)分布，可采用差找F分布的方法得到F值，依據F對兩組數據的差異性進行判斷，若檢測出兩組數據相似概率低于2．5%，則可判斷這兩組數據有顯著差異，從而基于兩組數據的均值對氧氣系統滲漏率的改便程度進行判斷。
3自抗擾控制器氧氣系統參數優化數學模型
遺傳算法是一種依據生物遺傳以及進化機制的適用于復雜系統改進的自適應概率改進算法。其模擬自然及遺傳時產生的選擇、交叉及變異等現象，從一個初始種群開始，在經過隨機選擇、交叉及變異處理后，得到一群更適應環境的個體，通過這樣不停的進行繁衍進化，最終可獲取到一群最適合環境的個體，從而得到失事飛機救生艙氧氣系統控制問題的最優解。
3．1考慮控制約束的自抗擾控制器參數優化設計目標函數的建立評價失事飛機救生艙氧氣系統性能的過程中，一般情況下會采用一個以失事飛機救生艙氧氣系統瞬時誤差e(t)為泛函的積分為目標函數，通過時間乘絕對誤差積分準則(ITAE)對系統的動態性能進行評價，以時間乘與誤差成績絕對值的積分為性能指標，用式(8)描述JITAE=∫#0t|e(t)|dt(8)如果只考慮失事飛機救生艙氧氣系統的動態特性，則給定的參數通常會造成氧氣控制過大，不能實現預期的控制效果。由于氧氣控制能量有限，所以將umax與umin作為一項重要的指標進行加權，則有Ju=umax－umin×∫#0|u(t)|dt(9)通過氧氣控制能量受限以及氧氣濃度誤差泛函評價標準，采用權重系數法獲取一個失事飛機救生艙氧氣系統性能的評價指標，用式(10)描述J=Je+Ju=∫#0t|e(t)|dt+wk|umax－umin|×∫#0|u(t)|dt(10)通過上述過程可以得到目標函數的最優極小值，需要將其轉化成極大值問題，因為J＞0，故取g=1=J。遺傳算法是一種自由選擇的算法，在進行迭代時一定會出現很多不可行染色體，為了使算法能夠高效的識別同時越過不可行染色體，需使系統的輸出誤差不超過給定范圍。對于不可行染色體，通過懲罰策略賦予其一個很小的懲罰值，融入懲罰策略的遺傳算法適應度函數可描述成:maxf=1/Ju＜Umax，u＞Umin，|e|＜EPuUmax，u"Umin，|e|{E(11)其中，Umax與Umin分別表示氧氣濃度控制量的懲罰上限及下限，符合UmaxUsatmax，UminUsatmin，其中Usatmax與Usatmin分別表示氧氣濃度飽和輸入的上下限，|e|表示氧氣濃度控制誤差允許范圍，P表示很小的一個罰值。
3．2改進遺傳算法自抗擾控制器氧氣系統參數整定過程在實際應用時遺傳算法會出現早熟收斂以及收斂效率低的現象，導致其不得不用很長的時間去尋找最優解。為了避免上述弊端，采用一種改進自適應混沌遺傳算法完成失事飛機救生艙氧氣系統參數的優化。該算法通過浮點數編碼，依據個體適應度值的排序完成對父體的選擇，并且結合了自適應交叉、自適應變異以及混沌移民，對失事飛機救生艙氧氣系統得參數整定，其遺傳算法整定流程圖用圖1描述。
3．2．1失事飛機救生艙氧氣系統參數的編碼通過經驗設定法整定跟蹤微分器、擴張狀態觀測器中飽和函數的冪指數a以及線性區域的邊界d。進行簡化操作后，遺傳算法的搜索區域以及不可行染色體的個數均降低了，效率得以提高。變量的數量越多，計算精度越高，二進制編碼的速度就越低，對于精度要求高，搜索范圍大的遺傳算法，可采用浮點數編碼。而自抗擾控制器涉及到的參數很多，同時區間分布廣，不適合采用二進制編碼，所以在確定失事飛機救生艙氧氣系統的參數時采用浮點數編碼。
3．2．2失事飛機救生艙氧氣系統參數初始種群的選取通過經驗設定法確定一組失事飛機救生艙氧氣系統參數。其中跟蹤微分器參數r可通過對象的響應速度來確定，和擴張狀態觀測器有關的各種參數可通過提到的動態失事飛機救生艙氧氣系統參數確定法來確定，非線性誤差狀態反饋失事飛機救生艙氧氣系統參數可通過PD控制器控制一個積分串聯型對象的參數來確定。失事飛機救生艙氧氣系統參數需符合下式:u＜Umax，u＞Umin，|e|＜E(12)在失事飛機救生艙氧氣系統參數附近大范圍隨機搜索符合式(12)的個體，直至得到的個體數目與遺傳算法中群體大小相同，從而防止了很多的不可行個體的出現，提高了失事飛機救生艙氧氣系統參數整定的效率，如圖1所示。
4實驗驗證
為了驗證本文模型的有效性，需要進行相關的實驗分析。實驗將飛機失事后氣體壓力為150Pa，氣體溫度為28℃的救生艙氧氣系統作為仿真驗證對象。傳統控制模型與本文控制模型調節階躍響應仿真結果對比用圖2描述。傳統控制模型與本文控制模型氧氣濃度信號跟隨仿真結果對比用圖3描述。圖2分析圖2和圖3可得，本文控制模型與傳統控制模型相比，調節效率高，超調量小，達到了一個很好的控制效果。在系統運行的初始階段，本文控制模型的響應速度很快，在時間為25s左右時，艙內氧氣即達到人體能夠適應的安全范圍內，在300s內即達到穩定狀態;超調最大值也在18%—23．5%安全范圍內。在系統連續變動已知的時，本文控制模型與傳統控制模型相比，調節效率更高，超調幅值更小，可以穩定的保持在人體可接受范圍內。在系統達到穩定后，在400s—450s之間加入3．6V電壓，本文控制模型可以以更短的時間，更小的超調達到穩定狀態，動態響應效果好。救生艙是一個多參數、強耦合的復雜系統。在系統運行過程中，任意參數的變化都會影響氧氣系統的模型結構，如飛機失事后救生艙氣體壓力變為180Pa，氣體溫度為30℃，則氧氣系統模型發生改變，此時傳統控制模型和本文控制模型階躍響應仿真結果對比用圖4描述。傳統控制模型與本文控制模型信號跟隨仿真結果對比用圖5描述。分析圖4和圖5可得，當氧氣系統模型改變后，本文控制模型變化不大，控制效果仍舊很好，而傳統的控制模型動態性能下降，超調量升高同時調節速度更慢。通過上述仿真結果可以看出，本文控制模型的調節速度快，超調量小，達到了很好的效果。在救生艙系統參數改變后，本文控制模型與傳統控制模型相比，有更好的自適應能力，使得系統氧氣濃度可以一直保持在人體可承受范圍內，有著更好的穩定性以及更高的調節效率。
5結論
減振技術論文范文2
緩沖材料及其應用
1常用緩沖材料
發泡植物纖維是近幾年來研究的一個熱點，國內外都在努力開發這類材料。國外主要研究不添加化學發泡劑，通過水蒸氣的作用發泡，形成顆粒型發泡紙漿；而國內則是采用發泡劑產生發泡，工藝較簡單，但是生產和使用后對環境具有隱患，該技術還有待改進和提高。順應當代環保及綠色理念，許多新型緩沖材料不斷產生。成培芳等以淀粉/纖維作為原料制備可降解緩沖包裝材料。Shi等和Lu等分別以向日葵莖稈和毛竹竹漿作為開發生物緩沖包裝材料的原料，與發泡聚乙烯材料相比較，其物理特性和緩沖系數表現出更好的防護性能，并且安全無污染，可以替代石化產品作為新型的生物緩沖包裝材料。
2緩沖材料的減振作用
研究各種緩沖材料的減振效果，有助于設計和開發減振包裝。不同緩沖材料類型、緩沖材料的厚度、包裝結構吸收振動沖擊的能量不同，減振效果表現不同。緩沖材料對果蔬振動保護的作用主要在于緩沖襯墊對沖擊能量的吸收、沖擊對緩沖襯墊的壓縮變形，緩沖材料的種類、厚度、包裝結構對其減振效果都有一定的影響。了解各種因素對減振效果的影響對減振包裝設計具有很強的理論指導作用。
2.1材料種類
具有高滯后吸收能量的材料，如塑料、紙板、泡沫、植物纖維等，均能夠減少運輸中振動損傷的程度，但是不同的緩沖材料對果蔬減振效果不同。Raghav和Gupta用寬松的水稻秸稈和紙碎片作為水果層之間的緩沖材料，發現沒有緩沖包裹的水果比包裹的水果腐爛速度要快得多，說明水果層之間的緩沖材料有利于減少運輸振動損傷。以竹籃為包裝材料時芒果損傷程度嚴重，以泡沫網包裹的瓦楞紙箱對芒果具有最優的保護作用。紙包裹和泡沫網都能大大減少黃花梨的運輸振動，泡沫網緩沖材料對于保持黃花梨貯運品質效果更好，而紙包裝的黃花梨酶活性比泡沫網箱高出許多，但是硬度反而降低。Jarimopas等發現塑料和紙板均具有降低沖擊損傷作用，但是紙板的減振效果優于塑料板，緩沖能量與蘋果的大小無關。Chonhenchob和Singh認為紙板緩沖和泡沫網緩沖材料具有相似的保護作用，但是紙板包裝更有利于番木瓜的成熟。但是Çakmak等認為在中長期高速運輸過程中，紙板包裝運輸增加了果品內部的溫度，導致果品品質的降低，而聚苯乙烯包裝盒可以減小這種負面反應。李春飛等也發現，采用瓦楞紙板襯墊、發泡塑料網作緩沖包裝時，均可有效地降低蘋果損傷率，發泡塑料網對蘋果的整體保護特性優于瓦楞紙板襯墊。
2.2材料厚度
不同厚度的緩沖材料產生不同的緩沖作用，在一定范圍內，緩沖材料的厚度越大，緩沖吸收能量越大，減振效果好。多層瓦楞紙板能量吸收顯著大于單層，多層瓦楞紙板抗沖擊能力強，雙壁瓦楞紙板箱較單壁有利于減少蘋果的損傷率。當緩沖材料厚度超過一臨界值時，甜羅望子損傷率不再發生變化，以30%5mm大小的泡沫球與甜羅望子混合在15cm直徑、20cm高度的瓦楞紙箱中，甜羅望子的損害率最小。
2.3包裝結構
包裝結構的不同對緩沖性能也有一定的影響，盧立新等研究表明，瓦楞紙板襯墊與隔檔可以減小梨損傷率達15%~25%，瓦楞紙板襯墊、隔檔以及網罩的聯合包裝形式可以使梨損傷率減小35%~45%。實際物流過程中，果品常常堆積多層，研究發現多層蘋果的總損失體積與其吸收總能量存在線性關系，而其中的單個蘋果不存在線性關系，盧立新建立了多層果實跌落沖擊模型。
包裝箱所處堆碼層數對果實的振動損傷有重要的影響，最上層包裝箱內梨果實的損傷最大，最下層梨果實的損傷次之，中間層梨果實的損傷最??；在同一包裝箱內，最上層梨果實損傷最大，中間兩層次之，最下層最小。但是李春飛等研究發現，瓦楞紙板內部隔檔可以減小蘋果的損傷率，同一種緩沖包裝的中間層蘋果的損傷率最大，底層蘋果損失率次之，頂層蘋果損傷率最小。雙壁瓦楞紙板箱較單壁減振效果較好，多層瓦楞紙板作為緩沖介質夾層結構減振效果較好，因為多層波紋夾層結構振動能量吸收顯著大于單層結構，多層瓦楞紙板具有重復抗沖擊能力，減小果實的振動損傷程度。
模擬振動試驗
運輸過程中不同路面造成的沖擊和振動之間的加速度存在明顯差異，在模擬振動損傷時，必須把沖擊和振動分開，達到實際振動隨機性。通過模擬運輸試驗，在實驗室內再現實際運輸環境，通過包裝內果蔬的損傷情況來評定包裝系統的減振效果，是目前開發或改進緩沖包裝，解決果蔬運輸損傷的最有效途徑。康維民等通過模擬運輸振動試驗，確定了運輸模擬試驗的振動頻率、振動加速度、振動時間參數。Thompson等通過模擬振動運輸開發了一套新的水果包裝系統，當結合一個塑料翻蓋或瓦楞紙板控制器時，這套包裝運輸系統幾乎可以防止梨的所有振動損傷。
1振動頻率
通過模擬實際運輸條件，在一定頻率范圍內進行振動掃描，確定共振頻率。黃翔飛等發現，共振頻率隨著包裝箱層數的增加而增大，箱內梨果實的共振頻率隨著激勵源加速度的增加而減小。在相同加速度條件下，振動頻率越小，梨越容易產生損傷。因此，果蔬損傷主要產生在低頻范圍內，Barchi等研究發現，在頻率為13-25Hz范圍內，枇杷損傷從底部到頂部逐漸加強。Shahbazi等模擬卡車運輸西瓜的研究中也發現，在7.49Hz和13.03Hz產生損傷率峰值。但是，Berardinelli等模擬梨運輸振動損傷時發現，振動頻率與振動加速度會產生交互作用，在出現振動加速度峰值的頻率范圍內，不同包裝箱所處位置所受的振動加速度不同，因此在減振包裝設計時，應考慮到多方面的影響因素。
2振動加速度
振動加速度分為穩定振動條件和隨機振動條件下的加速度，隨機振動條件下進行模擬振動試驗，以隨機振動加速度進行實際運輸時間的振動，水果的振動損傷和實際運輸條件下的相同。振動時間和振動加速度具有相關性，為提高試驗效率，縮短試驗時間，在進行模擬振動試驗時，可以通過改變振動加速度來確定振動時間。模擬振動時間越長，梨果實損傷越大。
振動時間對梨果實損傷也受到包裝方式的影響，不同包裝方式條件下，梨果實損傷隨振動時間的變化不同。振動加速度越大，梨越容易受損傷，西瓜振動損傷隨著加速度的增加而增加，而且西瓜肉的損害明顯高于西瓜皮。貨車前后部的振動加速度幅值最高峰分別是0.51和0.83m/s，車廂后部的振動加速度顯著高于車廂前部，使得車廂后部的梨損傷要高于車廂前部同樣高度堆放的。在車廂內同一位置，頂部塑料箱所受的振動加速度高于底部塑料箱，因此，裝載頂部塑料箱內的梨損傷情況顯著高于裝在底部塑料箱的。但是Zeebroeck等研究發現在高峰值加速度時，位置從高往低，擠壓不斷加強，因此蘋果受到的擠壓損傷逐漸增加。
3振動損傷檢測
果蔬模擬損傷運輸過程中往復振動產生的損傷，可以根據Palmgren-Miner理論和S-N曲線來定量評價。果蔬因振動引起的機械損傷會產生一系列生理異常，影響果蔬的貯藏，如表皮腐爛、呼吸加強、乙烯釋放量增多、電導率升高等。Jiang和Shiina研究表明，以表皮破損程度、呼吸和乙烯、電導率和吸光度為指標，可以評價振動引起的果蔬損傷程度。
由于果蔬損傷后能量吸收發生變化，可以通過能量吸收、聲波和超聲波、X射線、熒光、核磁共振等物理方法來檢測振動損傷。通過實驗室模擬公路運輸果蔬所受的振動，可以從振動頻率、振動加速度和振動時間等不同方面來研究果蔬振動損傷模型，有很強的理論指導意義和現實價值，有助于加強貯運中果蔬保鮮和減少果蔬損傷，同時也是減振包裝設計步驟中關鍵的一環。
減振包裝設計
減振包裝，又稱為防振、隔振包裝，它是通過在包裝內設計具有高阻尼特性的隔振墊層，使外界振動傳遞到被包裝產品后，產品被激勵的加速度不超過脆值，減小產品在功能和形態上的損傷。減振包裝設計形式大致可以分為兩類：一類是以防沖擊破損為主的包裝設計，應選擇具有強壓縮能力、高彈性的材料，適用于沖擊破壞強度高于振動破壞強度的產品；另一類是以減振為主的包裝設計，側重強衰減能力、高阻尼特性材料，適用于由于長期運輸振動易產生疲勞損傷、脆值低的產品，例如振動敏感性強的水果和蔬菜，因此果蔬的減振包裝設計常以防振為主要目標。
減振包裝設計的核心在于調節防振襯墊的傳送率來控制產品的共振響應，產品、容器以及高阻尼性材料構成產品包裝系統，可以看作“質量-彈簧系統”模型，當忽略外包裝箱的彈性和緩沖材料的質量時，可視為單自由度線性模型。
果蔬減振包裝設計必須按照一定的要求進行。首先，必須確定果蔬流通環境的條件，了解果蔬自身生理和力學特性，設計襯墊材料的結構和尺寸；然后，進行模擬振動損傷試驗，確定振動環境條件，主要是振動頻率、加速度及最大耐受時間；最后，確定在既定振動環境條件和損傷率下果蔬振動損傷脆值、疲勞損傷閾值，果品允許損傷率的確定要綜合考慮果品自身特性、運輸條件及綜合成本等，確定襯墊材料的種類。在以上基礎上，確定不至于引起果品過度損傷的系統振動傳遞率，選擇合適的襯墊，設計合理的包裝結構，最后進行振動模擬試驗，進行試驗校核。
減振技術論文范文3
關鍵詞：橋梁結構，風振，控制
1引言
隨著大跨度橋梁的普遍興建和高效能建橋材料的廣泛應用，現代橋梁的結構形態逐漸向大跨、輕、柔方向發展。雖然這對于美觀及經濟性方面是有益的，但是卻給結構設計、施工甚至運營提出了更高更嚴格的要求。大跨度橋梁作為生命線工程的重要組成部分，在政治、經濟領域占據著重要的地位，對于它們的安全性應給予格外的重視。現代橋梁結構趨于輕、柔的特點給結構本身抗風抗震性能提出了考驗。隨著大跨度柔性橋梁的出現，風荷載往往成為結構上的支配性荷載。風是空氣從氣壓大的地方向氣壓小的地方流動而形成的。風在行進中遇到結構，就形成風壓力，使結構產生振動和變形。橋梁受風力的作用后，結構物振動與風場間產生的互制現象―空氣彈力效應所引起的氣動力不穩定現象機率大為增加，強風、弱風都有可能使之整體或局部產生損壞。例如，1940年11月7日，美國華盛頓州建成才4個月的老塔科馬(Tacoma)懸索橋(主跨853m)僅在8級大風作用下就發生強烈的風致振動而破壞的嚴重事故。該事件促使了橋梁工程界對結構風致振動的研究，并由此發展了一門新的學科―橋梁風工程學。近幾年來，隨著我國大跨度橋梁的建設，橋梁風害也時有發生，江西九江長江公鐵兩用鋼拱橋吊桿的渦激共振；上海楊浦大橋斜拉索的渦振和雨振損壞套索等。由此可見，通過對大跨度橋梁的抗風問題進行理論研究，采取有效的措施把風對橋梁的危害控制在容許范圍內，具有十分重要的理論價值和實際意義。
2橋梁結構的風致振動
橋梁結構風致振動可分為兩大類：一類為限幅振動，主要包括抖振和渦激振；另一類為發散性振動，主要包括馳振和顫振。
橋梁的抖振是指橋梁結構在紊流場作用下的隨機性強迫振動。根據現有研究成果，抖振雖然并不像顫振那樣引起災難性的失穩破壞，但是過大的抖振響應在橋梁施工期間可能危及施工人員和機械的安全，在成橋運營階段則會帶來結構剛度問題而影響行人和車輛的舒適性以及引起交變應力縮短構件的疲勞壽命。
氣流繞過物體時，在物體兩側會形成不對稱脫落的漩渦，從而形成交替作用在物體上的橫風向的渦激力或力矩，結構在這種類似簡諧力的作用下，就會發生橫風向或扭轉的渦激振動，并且在漩渦脫落頻率與結構的自振頻率一致時將發生渦激共振。對橋梁結構而言，除透風率大于50%的桁架主梁可以不考慮渦激振動外，一般均需對主梁整體的渦激振動。此外，大跨度系桿拱橋的吊桿、斜拉橋的斜拉索、懸索橋和斜拉橋在施工階段的獨塔等也易于發生渦激振動。論文參考網。
浸沒在氣流中的彈性體本身會發生變形或振動，這種變形或振動相當于氣體邊界條件的改變，從而引起氣流力的變化，氣流力的變化又會使彈性體產生新的變形或振動，這種氣流力與結構相互作用的現象稱為氣動彈性現象。氣動力不穩定是一種典型的氣動彈性現象。氣流中的結構在某種力的作用下撓曲振動，這種初始撓曲又相繼引起一系列具有振蕩或發散特點的撓曲，這就是氣動彈性不穩定。一切氣動彈性不穩定現象都必含有因物體運動而作用在物體上的氣動力，這種氣動力就是自激力。橋梁結構的馳振與顫振是兩種最主要的氣動彈性不穩定現象，并可能造成嚴重的災難性后果。
3橋梁風振的控制方法
對于大跨徑橋梁，風致振動的形式多種多樣，各種風致振動的機理也不同。單純采用空氣動力學措施并不能兼顧各個方面。理想的做法是選擇適當的空氣動力學措施，同時采用適當的振動控制措施(如增加阻尼器)來進一步抑制和減小橋梁結構風致振動。1972年Yao提出了結構控制的概念，將控制論引入了土木工程結構之中，從而開辟了嶄新的研究領域。論文參考網。上世紀80年代以來，橋梁風振控制理論研究發展迅速，并且得到了實際應用。就目前技術水平而言，結構振動控制技術主要包括基礎隔震、被動耗能減振、主動控制、半主動控制、混合控制及智能控制等。
基礎隔震是在上部結構和基礎之間設置水平柔性層，延長結構側向振動的基本周期，使基礎隔震結構的基本周期遠離地震動的卓越周期，使上部結構的地震作用、橫向剪力大幅度減小。同時，結構在地震反應過程中大變形主要集中在基礎隔震層處，而結構本身的相對變形很少，此時可近似認為上部結構是一個剛體，從而為建筑物的提供良好的安全保障。
結構耗能減振就是把結構的某些非承重構件(如支撐、剪力墻、連接件等)設計成耗能元件，或在結構的某些部位(層間空間、節點、連接縫等)裝設耗能裝置。在小幅振動時，這些耗能元件或耗能裝置具有足夠的初始剛度，處于彈性狀態，結構仍具有足夠的側向剛度以滿足使用要求。當出現大幅振動時，隨著結構側向變形的增大，耗能元件或耗能裝置率先進入非彈性狀態，產生較大阻尼，大量消耗輸入結構的地震或風振能量。
結構主動控制是在結構受到外部激勵而發生振動的過程中，利用外部能源瞬時施加控制力或瞬時改變結構的動力特性，以迅速衰減和控制結構振動反應的一種減振控制技術。結構主動控制需要實時測量結構反應或環境干擾，采用現代控制理論的主動控制算法在精確的結構模型上運算和決策最優控制力，最后作動器在很大的外部能量輸入下實現最優控制力。在結構反應觀測基礎上實現的主動控制成為反饋控制，而結構環境干擾觀測基礎上實現的主動控制則稱為前饋控制。
結構半主動控制是在主動控制的基礎上提出的，是一種以參數控制為主的結構控制技術。它是根據控制系統的輸入輸出要求，利用控制機構來實時調節結構內部的參數，使結構參數處于最優狀態。結構半主動控制的原理與結構主動控制的基本相同，只是實施控制力的作動器需要少量的能量調節以便使其主動地甚至可以說是巧妙地利用結構振動的往復相對變形或相對速度，盡可能地實現主動最優控制力。因此，半主動控制作動器通常是被動的剛度或阻尼裝置與機械式主動調節器復合的控制系統。
混合控制是主動控制和被動控制的聯合應用，使其協調起來共同工作。這種控制系統充分利用了被動控制與主動控制各自的優點，它既可以通過被動控制系統大量耗散振動能量，又可以利用主動控制系統來保證控制效果，比單純的主動控制能節省大量的能量，因此有著良好的工程應用價值。
把經驗和直覺推理、綜合判斷等人類生物技能應用于一般控制之中，使結構具有感知、辨識、優化和自我控制等功能的控制稱為智能控制。論文參考網。結構振動的智能控制是國際振動控制研究的前沿領域，主要涉及智能材料、人工智能、自動控制、力學、電學、機械和計算機等多門學科。結構智能控制主要包括兩類：一類是利用智能材料研制的智能減振控制裝置對結構實施的局部振動控制；另一類是將模糊邏輯控制、神經網絡控制和遺傳算法等智能控制算法應用于結構的振動控制。由智能材料制成的智能可調阻尼器和智能材料驅動器等智能減振控制裝置構造簡單、調節驅動容易、能耗小、反應迅速、時滯小，在結構主動控制、半主動控制、被動控制中有廣闊的應用前景。
對于橋梁結構的風振控制，應依據不同的部位，采取響應的振動控制措施。例如，對于橋梁主體的風振控制目前主要采用減振技術。比較成熟的控制裝置有調諧質量阻尼器（TMD）、調諧液體阻尼器（TLD）等，其中以TMD應用最為廣泛。對于斜拉橋、懸索橋的索塔風振控制裝置多采用主動質量驅動器（AMD）及懸掛式TMD。對于拉索振動控制，由于其振動機理比較復雜，因而拉索控制方式的探索也較活躍。大致有三種：其一，耗能減振方式，即采用高阻尼橡膠做成膠圈，安裝在拉索的鋼導管中。其二，采用專門的阻尼減振器，即在拉索與橋面相交處設置一對阻尼器，用以減小拉索自由長度，反饋拉索振動時的相對位移和相對速度。其三，采用減振副索，即用不銹鋼絲繩將斜拉索連起來，借以增強拉索間的互相約束，增大附加阻尼。
4重點研究方向
鑒于橋梁風致振動控制當前存在的不足，應對其成橋后和施工狀態下的風振理論及控制進行進一步的研究，主要有：空氣振動的控制理論、控制措施、裝置及相應的試驗研究；數值模擬風洞及空氣的動力穩定性計算的計算機仿真技術研究；大跨度橋梁結構體系的空氣動力穩定性研究及相應的全橋模型實驗；施工階段空氣動力穩定性研究及相應試驗；空氣動力參數的識別方法、評價及相應的風洞試驗。以上問題的研究和解決勢必為橋梁的建造產生直接的指導作用，使橋梁的振動控制研究更加科學、經濟、可靠。
5結語
經過國內外學者、工程界人士的不斷探索和實踐，橋梁結構風振控制取得了豐富的研究成果和巨大的進展。雖然目前橋梁風振控制技術在工程中的應用還剛剛起步，還有許多問題尚未解決。但是相信隨著科學技術的進步，有關各種技術難題會逐步得到完善，橋梁結構風振控制技術必將會被更廣泛的應用到實際工程當中。
減振技術論文范文4
關鍵詞： 金屬橡膠；阻尼減振；轉子支承系統
中圖分類號：F767.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2013）17-0059-02
0 引言
金屬橡膠材料起源于二十世紀70年代初期的前蘇聯，是通過將具有一定質量的、拉伸開的、螺旋狀的金屬絲有序地排放并制成毛坯，然后用冷沖壓成型并經熱處理而成的新型精細結構材料[1]。由于其內部有很多孔洞，既呈現類似橡膠材料的彈性和阻尼性能，又保持著金屬的優異特性，俗稱金屬橡膠（Metal Rubber）。目前，俄羅斯在這個研究領域處于領先地位，并已經廣泛的應用于航空航天等領域[2]。我國對金屬橡膠技術研究雖然僅有十幾年的時間，卻得到了越來越多的重視，并已經在大型工業設備的減振密封領域和航天航空等領域得到了實際應用。金屬橡膠的制備工藝、相關理論和性能特點等已經開始被廣泛研究，本文作者通過分析、總結相關研究文獻，重點介紹了金屬橡膠在轉子支承系統中阻尼減振方面的應用研究。
1 金屬橡膠的阻尼減振性能
金屬橡膠內部呈現出金屬絲相互交錯勾聯形成的空間網狀結構，這種類似橡膠的大分子鏈狀形態使他它具有一定的剛度，振動時金屬絲之間產生擠壓、滑移和干摩擦，又可以耗散大量的振動能量，從而起到阻尼減振的作用[1]。與橡膠材料不同的是，由于金屬橡膠的原材料及制造工藝和橡膠材料存在巨大的差異，二者之間所表現出來的彈性阻尼變化規律也就存在著明顯的不同。由于金屬橡膠材料的穩定性和硬度幾何特性，保證了其彈性阻尼特性主要受載荷頻率和變形幅值的影響，而受環境溫度的影響很小。
2 金屬橡膠在轉子支承系統中的阻尼減振應用
由于金屬橡膠阻尼減振構件具有阻尼性能好、重量輕、且易制成各種形狀、環境適應能力強、可調節剛度等一系列優點，在高速旋轉機械中的得到了成功的應[2-4]。王新、朱梓根等[5]在1997年開發出了一種環形金屬橡膠減振器阻尼器（RMRD）并用于轉子支承系統。實驗研究表明，這種金屬橡膠減振阻尼器具有很好的減振性能，甚至超過了擠壓油膜阻尼器，而且有效地解決了非線性問題。郭寶亭等人[4]通過把環形金屬橡膠減振器與折疊式鼠籠彈支形成組合支承，這種折返式鼠籠彈支主要來提供組合彈支的剛度，而金屬橡膠材料結構提供阻尼和部分剛度，即主要利用金屬橡膠材料的剛度特性的線性段和軟特性段。隨著轉速的不斷增大，當轉速達到某階臨界轉速時，振動達到最大，此時可以充分發揮金屬橡膠材料結構的阻尼耗能作用，降低和減弱轉子在臨界轉速時的振動。同時增大轉子系統的阻尼，抑制轉子系統的自激振動，提高失穩閾值轉速。郭等人還把該組合支承應用在了氫渦輪泵轉子上，試驗研究及理論分析結果表明，金屬橡膠減振器減振效果十分明顯，與其它類型的減振阻尼器相比，具有制作工藝、安裝條件幾乎不受限制的特點。馬艷紅[6]提出了一種帶有金屬橡膠外環的自適應擠壓油膜阻尼器，該阻尼器油膜外環是金屬橡膠制成，油膜力和金屬橡膠彈性環復雜的流固耦合作用改善了系統高度非線性，研究表明：這種自適應擠壓油膜阻尼器能夠更好的抑制轉子系統的非協調響應，具有更好的減振效果。
姜洪源等在2009年提出了一種新型金屬橡膠擠壓油膜阻尼器（SFD/MR）[7]。該阻尼器的與傳統的擠壓油膜阻尼器相比，具有充分能夠利用金屬橡膠彈性阻尼與節流特性的突出特點，在該阻尼器的可動外環與殼體之間安裝了金屬橡膠彈性環，軸頸與可動外環的軸向端面安裝了金屬橡膠端部密封環。金屬橡膠環彈性特性能有效地改善系統的非線性，一定程度上緩解了傳統擠壓油膜阻尼器的剛度非線性問題。謝振宇等[8]在磁懸浮軸承柔性轉子系統中同時引入磁懸浮阻尼器和金屬橡膠環，通過系統高速旋轉實驗分析并理論分析了金屬橡膠環和磁懸浮阻尼器對系統不平衡振動的影響，結果表明，金屬橡膠環和磁懸浮阻尼器的同時引入，可以減小轉子在整個轉速范圍內的不平衡振幅，保障系統可靠的運行。李勝波等[2]建立了金屬橡膠構件遲滯回線邊界變形過程力學模型，針對不同相對密度金屬橡膠構件，推導了出了非線性遲滯恢復力表達式。同時對金屬橡膠阻尼環進行了實驗研究，分析了簡諧激勵載荷作用下阻尼環動力學的特性，并把該阻尼環用于圓錐滑動軸承-轉子實驗系統[3]，研究了在不平衡力等徑向載荷和軸向載荷作用下，軸向力對金屬橡膠阻尼器剛度和能量好散系數的影響，為進一步研究金屬橡膠阻尼環在轉子支承系統上的應用奠定了基礎。
3 結語
目前，無論是在實驗方面還是理論方面，盡管研究人員已經對金屬橡膠材料及其在轉子支承系統方面應用的研究取得了一定的進展，但由于金屬橡膠材料在國內發展時間較短，許多方面的研究還不夠成熟，需要進一步深入研究：例如，由于金屬橡膠的結構和制造工藝的特殊性，在制造過程中金屬絲螺旋圈直徑、螺旋卷的拉伸纏繞方式、最后冷壓成型的壓力、保持時間、壓制速度等都是影響金屬橡膠構件性能的主要因素，這些因素的變化都可能使金屬橡膠模型參數存在著不確定性，在使用過程中由于預緊力的變化，摩擦磨損等因素的影響，都將導致其模型參數產生不確定性，因此要想設計出更具魯棒性的振動抑制系統，就必須探索新的設計方法及理念。
參考文獻：
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[3]李勝波，閆輝，姜洪源等.圓錐滑動軸承-轉子系統中金屬橡膠阻尼器力學性能研究[J].功能材料，2011，42（1）.
[4]郭寶亭，朱梓根.金屬橡膠阻尼器在轉子系統中的應用[J]. 航空動力學報，2003，18（5）：663-668.
[5]王新，朱梓根.環形金屬橡膠減振器[J].航空動力學報，1997， 12（2）：143-145.
[6]馬艷紅.金屬橡膠外環自適應擠壓油膜阻尼器實驗研究[D].北京航空航天大學碩士學位論文，2002：55.
減振技術論文范文5
關鍵詞 軌道結構，整體道床軌道，嵌入式軌道
軌道結構按其軌下基礎型式可分為有碴軌道和無碴軌道。有碴軌道作為傳統的軌道結構，其主要的缺點是養護維修費用較高。與有碴軌道相比， 無碴軌道具有少維修、結構整體性和穩定性好的優點，因此很適用于城市軌道交通。且已成為城市軌道交通中軌道結構的主要型式。然而，由于無碴軌道下部基礎采用混凝土結構，與有碴軌道相比較， 會產生更大的振動和噪聲。因此，有必要發展新型的無碴軌道或對現有軌道結構進行改善，即發展低噪聲少養護的軌道結構。嵌入式鋼軌技術的發展和應用，代表著軌道結構設計的巨大進步。
1 嵌入式軌道結構
傳統的軌道結構，其鋼軌和軌枕(或整體道床) 是通過扣件連接的，鋼軌的支撐和固定都是離散的，鋼軌完全暴露在空氣中。嵌入式軌道結構則采用連續的固定和支撐方式，其基本做法是:用一種叫Corklast 的彈性體將鋼軌固定在鋼筋混凝土板整體道床的凹槽內，整個鋼軌幾乎完全埋置在彈性體中，除了必要的信號電纜和牽引供電電纜外，在鋼軌和混凝土之間以及兩條鋼軌之間沒有任何的機械聯結(圖1) 。嵌入式軌道結構具有以下優于傳統非連續支承軌道結構的優點: ① 減小了軌道結構的厚度，厚度只有200 mm ; ② 不僅在設計上有很大的自由度，而且由于鋼軌是連續支撐的，減少了鋼軌疲勞的發生; ③ 不需要軌距拉桿、混凝土軌枕和鋼軌聯結部件; ④ 由于周圍的線路路基可以和鋼軌面齊平，對平交道口和庫內工作很理想; ⑤ 具有良好的減振降噪性能和少養護維修的特點。
圖1 嵌入式軌道結構橫斷面圖
嵌入式軌道結構的減振降噪原理主要體現在以下3 個方面: ① 鋼軌完全由槽內彈性體和軌下彈性條連續固定和支承，優化了整個軌道結構在水平和豎向的剛度;其垂向彈性由軌下彈性條和槽內彈性體共同提供，很大程度上模擬了傳統有碴軌道結構的受荷響應。② 傳統軌道結構采用離散的鋼軌支承方式，在列車的反復荷載作用下，導致鋼軌產生不平順性，增加了軌道結構的振動響應;而嵌入式軌道結構采用連續的彈性支承，大大降低了鋼軌的不平順性，從而減少了軌道結構的振動。③ 由于鋼軌幾乎完全埋置在彈性體內，減少了噪聲源，也減少了噪聲的反射面積，起到了降噪的作用。荷蘭的實驗研究表明，同樣采用U IC 54 鋼軌，嵌入式軌道結構的噪聲只比傳統的有碴軌道結構高2 dB (A) ，其減振效果在10 dB (A) 左右。
2 嵌入式軌道結構的設計優化
對嵌入式軌道結構的進一步發展就是優化其減振降噪性能，降低其造價。由于嵌入式軌道結構比較簡單，沒有扣件等連接零件，因此，其優化的著眼點應該是鋼軌本身和彈性體。為了降低列車通過時軌道結構引起的振動和噪聲，荷蘭在開發板式軌道時，研制了軌頭形狀與U IC 54 相似的SA42 型矮軌，并采用嵌入式軌道結構技術(圖2) 。這種新型低噪聲嵌入式輕型鋼軌，每米僅重42 kg ， 高8 cm ， 其相應的凹槽體積要小的多，從而可以節約多達60 % 的彈性體，減少了軌道結構的高度，降低了工程造價。由于這種鋼軌矮胖，車輛通過時引起鋼軌腹板的振動頻率較低，提高了軌道結構減振降噪效果，與采用U IC 54 鋼軌的有碴軌道結構比較， 可以減少噪聲約5～7 dB (A) 。
圖2 新型低噪音嵌入式鋼軌
轉貼于 3 嵌入式軌道結構的下部基礎
嵌入式鋼軌的調整定位是一項復雜精密的工作，而且鋼軌定位以后就不能做橫向和豎向調整。因此，對其下部基礎提出了嚴格的要求。一般來說，有以下兩種類型的下部基礎適合于嵌入式軌道結構: ① 混凝土板式道床，這是最典型的嵌入式軌道結構，道床采用預應力加強混凝土板，沿線路的縱向和橫向分別施加了比例高達1. 5 % 的預應力。這種類型的軌道結構在荷蘭的鐵路干線和輕軌線路上，尤其在橋梁和平交線路上，都有很大程度的使用，其結構如圖3 所示。② 采用箱型梁作為下部基礎。在這種軌道結構中，箱型梁直接放在土路基上，路基的溝槽形狀和梁體相吻合;整個梁的重量不大于挖出的土體的重量，這樣梁下的土體不會發生大的沉降和變形(圖4) 。箱梁具有和橋梁相當的撓曲剛度，能夠保證軌道結構正確的幾何形位， 因此非常適合于嵌入式軌道結構。
圖3 采用板式軌道結構
圖4 采用箱型梁軌道結構
4 結語
伴隨著城市軌道交通的大規模發展，軌道交通沿線噪聲和振動問題越來越引起人們的重視。嵌入式軌道結構作為一種新型的減振降噪型軌道結構，在荷蘭至德國的運輸干線上已經有17 年的運營經驗，另外在歐洲很多地方的車站和橋梁上也得到了廣泛的應用。由于嵌入式軌道結構采用連續的彈性支承，鋼軌內部的疲勞應力很小，減少了鋼軌的磨耗，改善了車輛的運行性能，并一定程度上提高了列車運行的舒適度，軌道結構非常安全。在使用壽命方面，嵌入式軌道結構比傳統的有碴軌道結構長50 % 。荷蘭的研究表明，嵌入式軌道結構不僅少振動低噪聲，而且其養護維修費用很低，總體造價比較經濟，符合未來軌道結構的發展要求。但是由于其施工工藝復雜，而且我國還沒有生產這種彈性體的廠家，因此，目前我國還不宜大規模鋪設。目前宜先進行室內實驗研究，并在一些對噪聲和振動比較敏感的地段，考慮鋪設嵌入式軌道結構，以開展相應的試驗工作。
參 考 文 獻
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
減振技術論文范文6
關鍵詞 軌道交通系統 環境 振動影響分類號
1 國內外研究工作概況
隨著現代工業的迅速發展和城市規模的日益擴大，振動對大都市生活環境和工作環境的影響引起了人們的普遍注意. 國際上已把振動列為七大環境公害之一，并開始著手研究振動的污染規律、產生的原因、傳播途徑、控制方法以及對人體的危害等. 據有關國家統計，除工廠、企業和建筑工程外，交通系統引起的環境振動(主要是引起建筑物的振動) 是公眾反映中最為強烈的[ 1 ]. 隨著城市的發展，在交通系統設計規劃中，對環境影響的考慮越來越多. 這主要因為過去城市建筑群相對稀疏，而現在，隨著城市建設的迅猛發展， 多層高架道路、地下鐵道、輕軌交通正日益形成一個立體空間交通體系，從地下、地面和空中逐步深入到城市中密集的居民點、商業中心和工業區. 如日本東京市內的交通道路很多已達到5 ～7 層，離建筑物的最短距離小到只有幾米，加上交通密度的不斷增加，使得振動的影響日益增大. 交通車輛引起的結構振動通過周圍地層向外傳播，進一步誘發建筑物的二次振動，對建筑物特別是古舊建筑物的結構安全以及其中居民的工作和日常生活產生了很大的影響. 例如在捷克，繁忙的公路和軌道交通線附近，一些磚石結構的古建筑因車輛通過時引起的振動而產生了裂縫，其中布拉格、哈斯特帕斯和霍索夫等地區發生了由于裂縫不斷擴大導致古教堂倒塌的惡性事件. 在北京西直門附近，距鐵路線約150 m 處一座五層樓內的居民反映，當列車通過時可感到室內有較強的振動，且受振動影響一段時間后，室內家具也發生了錯位. 另外，由于人們對生活質量的要求越來越高，對于同樣水平的振動，過去可能不被認為是什么問題，而現在卻越來越多地引起公眾的強烈反應. 這些都對交通系統引起的結構振動及其對周圍環境影響的研究提出了新的要求，也引起了各國研究人員的高度重視[ 2～21 ].
日本是振動環境污染最為嚴重的國家之一，在其“公害對策基本法”中，明確振動為七個典型公害之一的同時，還規定了必須采取有效措施來限制振動. 在“ 限制振動法”中，特別對交通振動規定了措施要求，以保護生活環境和人民的健康. T. Fujikake 、青木一郎和K. Hayakawa 等[ 9 ，17 ，21 ] 分別就交通車輛引起的結構振動發生機理、振動波在地下和地面的傳播規律及其對周圍居民的影響進行了研究，提出了周圍環境振動水平的預測方法.
面對公眾的強烈反映，英國鐵路管理局研究發展部技術中心對車輛引起的地面振動進行了測試，主要就行車速度、激振頻率和軌道參數的相關關系以及共振現象進行了實驗研究. 瑞士聯邦鐵路和國際鐵路聯盟(U IC) 實驗研究所(ORE) 共同執行了一項計劃，以A. Zach 和G. Rutishauser 為首的研究小組研究了地鐵列車和隧道結構的振動頻率和加速度特征，從改善線路結構的角度提出了降低地鐵列車振動對附近地下及地面結構振動影響的途徑. 美國G. P. Wilson 等針對鐵路車輛引起的噪聲和振動，提出了通過改善道床結構形式(采用浮板式道床) 和改革車輛轉向架構造以減少輪軌接觸力的方法，降低地鐵車輛引起的噪聲和振動的議.
交通車輛引起的結構和地面振動是城市交通規劃中的一個重要問題，由其進一步引發的周邊建筑物振動以及相應的振動控制和減振措施，在規劃和設計的最初階段就應加以考慮. 為此，德國的J . Melke 等提出了一種基于脈沖激勵和測試分析的診斷測試方法，來預測市區鐵路線附近建筑物地面振動水平，并通過不同測點數據的傳遞函數分析研究了振動波的傳播規律. F. E. Richart 和R. D. Woods 等則針對隔振溝和板樁墻等隔振措施進行了實驗研究.
此外，西班牙、捷克等國在這些方面也做了大量的測試、調查和研究工作，通過對幾種不同場地土的測試結果統計，分析了列車引起的地面振動波的傳播和衰減特性，并從降低行車速度、減輕荷載重量、提高路面平整度等方面提出了減少振害的措施.
在國內，雖然城市建設起步得較晚，但隨著現代化的進程，交通系統大規模發展的趨勢是極為迅速的. 由于軌道交通系統具有運量大、速度快、安全可靠、對環境污染小、不占用地面道路等優點，成為緩解城市交通擁擠和減少污染的一種有效手段. 目前，我國已經擁有或正在建設地下鐵道的城市越來越多，不少城市還在籌建高架輕軌交通系統. 近年來在城市交通系統建設中，對于振動可能影響環境和周邊建筑物內居民生活和工作的問題也進行了預測，如擬議中的西直門至頤和園輕軌快速交通系統可能對附近的文化和科研機構產生振動影響、地鐵南北中軸線可能對故宮等古建筑產生振動影響、擬建的京滬高速鐵路滬寧段高速列車對蘇州虎丘塔可能產生振動影響等. 為此，國內不少單位已開始結合北京、上海、沈陽等一些大城市修建地鐵、輕軌交通系統時車輛引起的環境振動問題進行研究，發表了初步的研究成果[ 22～43 ].
2 振動的產生、傳播規律及其對環境的影響
對我國幾個典型城市的調查結果表明，交通車輛引起的環境振動水平較高. 根據鐵路部門的實測，距線路中心線30 m 附近的振動可達80 dB. 地鐵列車通過時，在地面建筑物上引起振動的持續時間大約為10 s. 在一條線路上，高峰時，兩個方向1 h 內可通過30 對列車或更多， 振動作用的持續時間可達到總工作時間的15 %～20 %. 最近在我國某城市地鐵車輛段附近進行了現場測試，結果表明，當地鐵列車以15～20 km/ h 的速度通過時，地鐵正上方居民住宅的振動高達85 dB ， 如果列車速度達到正常運行的70 km/ h 時，其振級可能還要大得多. 可見由列車運行引起的環境振動已不同程度地影響了居民的日常生活.
在軌道交通系統中，由運行列車對軌道的沖擊作用產生振動，并通過結構(隧道基礎和襯砌或橋梁的墩臺及其基礎) 傳遞到周圍的地層，進而通過土壤向四周傳播，誘發了附近地下結構以及建筑物(包括其結構和室內家具) 的二次振動和噪聲. 對于地下鐵道，其影響因素主要有列車速度、車輛重量、隧道基礎和襯砌結構類型、軌道類型、是否采用了隔振措施等，此外列車與軌道的動力相互作用也會加大振動作用.
有調查表明，地鐵列車在隧道內高速運行時，距軌道水平距離1. 5 m 處，振級平均值為81 dB ;24 m 處，振級平均值為71. 6 dB. 這說明隨著距軌道水平距離的增加，振級將不斷衰減. 此外，地鐵振動影響的范圍在很大程度上還取決于列車通過的速度及隧道的埋深. 速度越高，振動干擾越強，影響范圍越大(列車速度每提高一倍，隧道和地面的振動增加4～6 dB) ;埋深越大，影響范圍越小. 文獻[25 ] 采用計算機模擬的方法得到地鐵列車引起的地面振動隨距離的分布:在距隧道中心線40 m 左右的地面為加速度的局部放大區;對于1～3 Hz 的低頻振動加速度，盡管幅值大小不同，都在0 、36 、60 m 附近出現了放大區;對于5～6 Hz 的中頻加速度，只有0 m 和30 m 二個放大區，距離再大時就迅速衰減;對> 8 Hz 的高頻加速度則隨距離的增加而逐漸衰減. 北京曾就地鐵列車對環境的振動影響進行過實測，得到了與上述分布規律相同的結果.
對于高架輕軌系統，其影響因素主要有列車速度、車輛重量、橋梁結構類型和基礎類型、橋梁跨度、剛度、撓度等，列車與橋梁的動力相互作用也會加大振動作用. 目前國內尚無建成的高架輕軌系統，無法進行現場測試. 但文獻[22 ，23 ] 通過力學計算、文獻[29 ] 通過對鐵路高架橋和路基線路的實測分析，求得高架輕軌系統在列車運行時所引起的周圍地層的振動特性，得出了以下結論:
(1) 輕軌列車振動所引起的地面振動，在某一距離范圍內，隨距線路距離的增加而衰減，在達一定距離后會出現反彈增大(約在40～60 m 間)，但總趨勢是隨距離的增大而逐漸衰減.
(2) 輕軌系統橋梁的基礎類型對地面振動的影響非常大. 采用樁基時，地面振動的位移、速度、加速度值均比采用平基時的小許多，且樁基時，地面振動隨距線路距離的增加而衰減的速度也較平基時大. 甚至由于采用了不同的橋梁基礎，沿線建筑不同樓層的振動響應也有所不同. 采用淺平基礎時，上面樓層的響應比下面樓層的強烈，采用樁基時各樓層的差別就小得多. (3) 高架橋線路與路基線路相比，環境振動將大幅度降低. 距線路中心線30 m 處的振動強度可降低5～10 dB.
(4) 高架輕軌的橋梁結構設計應注意避免車橋產生共振，以減小對系統振動的影響.
列車運行對大地產生的振動主要以三種波的形式傳播，即橫波、縱波和表面波. 日本Erichi Taniguehi 等的研究表明:位于地下2 m 深處振動加速度值為地表的20 %～50 % ;4 m 深處為10 %～30 %. 可見在車輛運行產生的環境振動中，表面波占主要地位.
由于能量的擴散和土壤對振動能量的吸收，振動波在傳播過程中將有所衰減. 不同類型的振源，不同的振動方向，不同的傳播方向以及不同的土介質，對振動的衰減也是有區別的.
據文獻[ 2 ，29 ，30 ，34 ] 的實測結果知，振動強度的分布具有以下特點:從振源的頻率分布上看，以人體反應比較敏感的低頻為主，其中50～60 Hz 的振動強度較大;從列車速度的影響上看，隨行車速度的提高，振動有增大的趨勢;就地面振動隨距離的衰減而言，距軌道中心線越近，同一列車引起的地面振動就越大，反之則越小. 很多文獻認為列車運行所產生的地面振動隨距線路距離增加而有較大的衰減是一般規律，見圖1 (a) . 但是也有文獻得出了不同的結果: 文獻[38 ] 和[ 42 ] 曾分別在橋梁(京沈線灤河橋，跨度32 m 上承式鋼板梁橋，橋墩高8～10 m ， 車速50～80 km/ h) 和線路附近(京廣線，車速25～110 km/ h) 測試了列車通過時地面振動加速度隨距離的變化規律，結果分別見圖1(b) 和(c) . 圖1 中G 為振級;ε為各測點加速度與路基處加速度的比值. 可以發現地面振動分別在距橋墩60 m 左右處和距線路40 m 左右處出現了加速度反彈增大的現象. 這一測試結果是與理論計算的結果相吻合的[43 ]. (a) 位置分布(b) 橋梁附近(c) 線路附近
隨距離增大而振動強度減弱的規律也適用于沿線建筑. 由于列車引起的地面水平方向振動，在傳導過程中的衰減要快于垂直方向的振動，因而沿線建筑物內垂直方向的振動將大于水平方向的振動. 實測結果表明:建筑物的水平振動一般約小于垂直振動10 dB[41 ] ，因此在評價建筑物受鐵路環境振動的影響時，可以垂直方向的振動為主. 就不同樓層而言，一般來說，中低層建筑，特別是4 層以下的，隨著樓層的增加，振動的強度有增大的趨勢. 文獻[41 ] 對7 座3～5 層樓房的測試結果和文獻[ 43 ] 的理論分析結果都表明:在距列車不同的距離上，3～5 層的振動強度均比1 層高出約3～5dB.
隨列車速度的提高，附近建筑物內的振動有增大的趨勢(尤其是樓房) [ 41 ，43 ]. 而由列車引起的沿線地面建筑物振動，其振級的大小與建筑物的結構形式、基礎類型以及距地鐵的距離有密切的聯系. 對于基礎良好、質量較大的高層鋼筋混凝土建筑，由于其固有頻率低，不易被激起較大的振動，因而其振級較之自土壤傳來的振級可衰減10～20 dB. 在距地鐵隧道水平距離32 m 處，高層建筑地下室內實測振級不大于60 dB ，1 層以上則測不出地鐵行駛時引起的振級;基礎一般的磚混結構住宅樓可衰減5～10 dB ; 而基礎較差的建筑，如輕質結構或淺基礎建筑，則衰減量很小，其振級與土壤振級接近，甚至還會出現室內振動大于室外地面振動的情況.
3 減振隔振控制措施
如前所述，城市軌道交通系統產生的振動可以通過結構和周圍地層傳播到振動影響到的區域或個人. 為降低振動或控制振動的不利影響，可從降低振源的激振強度、切斷振動的傳播 途徑或在傳播途徑上削弱振動、合理規劃設計使建筑物避開振動影響區等幾個方面著手. 根據有關資料，減少振源振動可采取以下幾種措施[ 13 ， 34 ]:
(1) 采用60 kg/m 以上的重軌，并應盡量采用無縫線路. 重軌具有壽命長，穩定性能和抗振性能良好的特點，無縫線路則可消除車輪對軌道接頭的撞擊.
(2) 減輕車輛的簧下質量，避免車輛與軌道產生共振，這樣可降低振動強度10～15 dB.
(3) 對于地鐵而言，適當增加埋深，使振動振幅隨距離(深度) 增加而加大衰減;采用較重的隧道結構也可降低振動幅度.
(4) 對于在地面上運行的輕軌系統，應首先考慮采用高架橋梁. 與普通路基相比較，高架系統不但產生的振動要小，而且占地面積也小，特別適合市區.
(5) 高架輕軌系統的橋梁應優先采用混凝土梁以及整體性好、振動較小的結構形式;合理設計跨度和自振特性，以避免高速運行的列車與結構產生共振. 另外，墩臺采用樁基礎，可獲得較淺平基礎好的減振效果.
(6) 采用合適的道床和軌道結構型式，增加軌道的彈性. 瑞士聯邦鐵路和比利時布魯塞爾自由大學等都在研究新型的彈性軌枕和復合軌枕以減小動力沖擊力，并將有效地降低車輛、軌道和附近環境的振動.
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對地鐵而言，為減少維修工作量，一般都采用整體道床，其中包套式短枕整體道床、塑料短枕整體道床、浮置板式整體道床等幾種道床型式都可起到減振作用. 對高架輕軌而言，道床結構形式主要有兩種:一是有碴式道床結構型式，二是無碴道床結構型式. 從國外情況看，美國、加拿大多采用無碴式整體道床，德國、新加坡多采用有碴道床，香港地鐵高架部分均采用無碴道床，日本輕軌采用有碴道床和混凝土板式道床.
從減振效果來說碎石道床優于整體道床，但碎石道床具有穩定性較差、養護工作量大、自重較大、軌道建筑高度較大且道床易污染等缺點，所以宜采用整體道床，其彈性不足的問題可以利用減振效果好的彈性扣件或其它減振措施彌補. 整體道床包括無枕式整體道床，短枕式整體道床，長枕式整體道床和縱向浮置板式整體道床. 其中縱向浮置板式整體道床減振效果顯著，尤其是低頻域減振效果更好. 無論是有碴道床還是整體道床，都可在道碴或凝土板下面設置橡膠減振墊，減振效果可達10～15 dB[ 2 ，4 ，14 ，34 ] . 采用適當的彈性扣件，可以增加整體道床的彈性. 例如，在北京地鐵使用的D TI 型和D TV 型扣件中，D TV 型扣件經過室內試驗比D TI 型扣件可減少振動5～8 dB.
彈性墊層是增加扣件彈性的重要組成部分. 要改善整體道床的缺點，可采用高彈性墊層， 以提供軌道所需用的彈性，緩沖列車的動力作用. 北京地鐵一二期工程采用軌下10 mm 橡膠墊板、鐵墊板下一層塑料墊板作為彈性墊層，但發現彈性不足. 北京新建的地鐵和上海地鐵采用軌下一層、鐵墊板下兩層圓柱型橡膠墊板，均能滿足一般地段需要. 需要指出的是，道床型式、扣件型式及彈性墊層之間都要有合理的匹配關系. 為阻止表面波的傳播，可采取切斷振動傳播途徑或在傳播途徑上削弱振動的措施. 在地表層采取挖溝、筑墻等措施有一定效果. 有三種隔離模式:彈性基礎、明溝和充填式溝渠. 彈性基礎對較高頻率的隔振效果較好，但由于彈性基礎的存在，軌道上的最大低頻加速度會被放大， 所以無論是對運行列車的平穩性還是對于周圍環境的隔振來說，彈性基礎并不是很理想的方法;對于明溝和充填式溝渠，一般來說，減振溝越深，其有效隔振頻率的下限就越低，減振效果越好，它們可以完全切斷振動波的傳播，只要溝的深度足夠，就可以獲得理想的隔振效果.
減振墻也常用來作隔振使用，其效能與減振溝類似. 有試驗表明，減振墻的板質、厚度和深度對減振效果均有影響. 向地層下打入柱樁，形成柱列或柱陣可以獲得顯著的減振效果，國外已成功地采用這種措施防止地鐵和其它振動對建筑物的干擾. 對于點振源，在其周圍設置由具有一定質量的隔振材料形成的阻波區( Wave Impeding Block) ，可以很好地隔絕振動波的擴散. 阻波區隔振的基本原理是利用隔振材料的振動來吸收振源傳出的振動能量，其減振效果與隔振材料的質量和埋置深度、阻波區的寬度有關. 臺灣某高架橋系統，在橋墩的周圍設置環狀的阻波區后，環外地層的振動強度下降了5～15 dB[ 45 ].
4 減輕軌道交通系統對周邊建筑物振動影響的規劃設計原則
根據國內外的研究成果，為減輕軌道交通系統對周邊建筑物的振動影響，規劃設計中應遵循以下原則:
(1) 規定地面建筑物到地鐵隧道或高架輕軌線路的水平距離，必須在古建筑附近修建地鐵時，還應規定地鐵隧道的埋深，以利用振動能量的傳播衰減來降低振動水平.
(2) 對新規劃的建筑物，應使其位置避開振動波傳播的放大區;對既有的古舊建筑物或其它對振動敏感的建筑物，在規劃軌道交通線時，應使振動放大區離開它們的位置.
(3) 在地鐵及高架輕軌沿線的建筑物應以基礎結構牢固的樓房為主，避免建造輕質結構或基礎較淺的房屋. 建筑物的振動特性應合理設計，以防止其振動頻率與列車產生的振動一致而形成共振.
(4) 在軌道交通規劃布局中，應充分老慮利用振動波的天然屏障，如河流、高大建筑物等， 來隔絕振動的影響.
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