地铁列车振动引起的城市大跨度立交桥的微振分析

1. 引言

随着城市化进程的加速，地铁交通作为现代城市公共交通的重要组成部分，其建设规模和运营里程不断扩大。地铁列车的运行效率和 动性，但同时也引发了环境振动问题。地铁列车在运行过程中，由于轮轨相互 生持续的振动荷载。这些振动通过隧道结构传递至周围地基，并对临近 尤其是 跨度立交桥， 生潜在影响[2]。研究表明，地铁运行引起的振动可能导致桥梁结构构件出现微米级位移和应力变化，尽管短期内不会引发显著的安全问题，但长期累积效应可能对桥梁的耐久性和稳定性构成威胁[8]。

2. 地铁列车振动特性分析

2.1 列车运行速度对振动的影响

列车运行速度是影响其振动特性的重要因素之 随着列车速度的增加，轮轨相互作用频率随之升高，从而导致振动频率的增加。研究表明 车桥体系中的车桥频率可能接近或相同，进而引发共振现象[10]。此外，速度 了显著影响。在低速区，振动幅值的变化较小，但当速度超过 幅会加 例如， 在长沙地铁1 号线北延线高架桥的研究中发现，列车速度在80 km/h 时，既有结构的动力响应达到相对稳定的状态，而高于此速度则会导致动力响应的进一步加剧[1]。

2.2 列车载重对振动的影响

列车载重的变化同样对振动特性产生显著作用。研究表明，列车轴重的增加会导致轮轨接触力的增大，从而加剧振动的传播[4]。以太原地铁2 为例，通过数值模拟分析发现，列车载重对车站及立交桥的振 时，其振动响应最为明显，且载重越大，振动幅值越高[4]。此外 低频段的振动能量分布更为集中。这一现象在实际工程中需引起重视， 因为过 能导致 的疲劳损伤，进而威胁其安全性和耐久性。

2.3 轨道结构对振动的影响

不同轨道结构对振动的传递和影响表现出显著差 体道床和碎石道床作为两种常见的轨道形式，其振动特性各具特点。整体道床因 传递，但在某些频段仍可能出现振动放大现象[9]。例如， 在宁波 轨传递到整体道床时，振动加速度级衰减超过35 dB， 有较好的弹性，但其离散性结构可能导致振动在传播过程中 ]。此外，轨道扣件的类型也对振动传递起到关键作用，如DTVII2 型高架无砟小阻力弹条扣件在减振性能上优于普通扣件[10]。

3. 大跨度立交桥结构特点及动力特性

3.1 大跨度立交桥结构特点

城市中的大跨度立交桥通常采用多种桥型设计，如连续梁桥、悬索桥和斜拉桥等，以满足不同的交通需求与空间限制。这些桥梁的跨度范围广泛，从几十米到上百米不等，具体取决于其所处地理位置及功能定位。在材料选择上，混凝土和钢材是主要的结构材料，其中预应力混凝土因其良好的耐久性与经济性被广泛应用于中等跨度桥梁，而钢箱梁则常用于需要更大跨度的桥梁设计中[5]。此外，桥面宽度一般根据交通流量进行设计，例如某城市轨道交通箱梁桥面宽为12 米，标准跨径为32 米，采用 C50 混凝土浇筑，这种设计不仅保证了桥梁的承载能力，还兼顾了施工便捷性与成本效益。

3.2 大跨度立交桥动力特性

大跨度立交桥的动力特性主要包括自振频率和振型，这些参数对桥梁在外部激励下的振动响应具有重要影响。自振频率是桥梁固有的动力学特性，反映了结构抵抗变形的能力，其值大小与桥梁的刚度、质量分布以及边界条件密切相关。研究表明，地铁振动诱发的地基振动优势频率往往与某些既有桥梁的低阶自振频率相近，从而引发共振效应，导致桥梁结构出现显著的振动响应[6]。振型则描述了桥梁在振动过程中的空间变形模式，不同振型对应不同的自振频率。对于大跨度立交桥而言，其竖向振型通常较为敏感，尤其是在列车荷载作用下，翼板和腹板的竖向振动响应水平较高，这可能进一步加剧桥梁的疲劳损伤风险。因此，在设计阶段准确评估桥梁的动力特性，对于降低地铁列车振动对其产生的潜在危害至关重要。

4. 地铁列车振动引起立交桥微振分析

4.1 数学模型的建立

为准确分析地铁列车振动对立交桥微振的影响，需建立合理的数学模型。参考文献[3]中提出了一种基于振型正交性和广义坐标离散的方法，将互相耦联的节点运动方程解耦为独立的模态方程进行求解。这一方法能够有效减少有限元法计算桥梁结构动力响应的工作量。具体而言，通过有限元软件MIDAS 建立桥梁的有限元模型，并提取对结构动力响应起控制作用的前若干低阶振型参与计算。例如，该文献中取其前20 阶振型即可满足精度要求。此外，列车车辆模型则被视为由车厢、转向架、轮对及弹簧-阻尼悬挂装置组合成的多自由度振动系统，每节车厢考虑 27 个自由度。这种数学模型的建立为后续微振分析提供了理论基础。

4.2 模拟分析

借助专业软件如 ABAQUS 和MIDAS 等，可以模拟振动在桥 的传播规律并分析关键部位的振动响应。参考文献[2]利用 ABAQUS 建立 地 通过列车-轨道-隧道结构系统力学简化模型计算得到列 梁结构构件存在明显振动，但未发生扩散性共振效应，振动幅 建立了包含地层、地铁车站、桥墩、承台等在内的三维数值计算模型， 研究为实际工程中的微振分析提供了重要参考。

5. 建议

为降低地铁列车运行对大跨度立交桥的微振影响，优化轨道结构是一种有效的减振手段。通过改进扣件系统和道床结构，可以显著减少振动的传递。新型扣件的设计应注重提高其弹性和阻尼特性，从而在列车通过时吸收部分振动能量。例如，采用橡胶垫板或复合材料的扣件能够有效降低钢轨与桥面之间的振动传递[7]。此外，改进道床结构也是减振的关键措施之一。研究表明，梯形轨枕道床在特定频段内具有较好的减振效果，但在15Hz至40Hz 范围内可能出现振动放大现象，因此在实际应用中需根据目标频率范围进行合理选择[12]。整体道床相较于碎石道床具有更高的刚度和稳定性，但其振动传递效率较高，因此可通过增加道床的厚度或引入多孔弹性材料来改善其减振性能。这些措施不仅能够降低列车运行时产生的振动，还能提升轨道结构的耐久性和使用寿命。

参考文献

[1] 刘维正;王锋;罗桂军;徐毅夫;唐新建.地铁高架桥列车振动荷载对邻近构筑物受力变形的影响[J].工程科学与技术,2023,55(6):97-108.

[2] 孟坤;崔春义;许民泽;王启福;苏健.地铁运行引起的临近桥梁结构振动分析[J].深圳大学学报（理工版）,020,37(6):610-616.

[3] 王少钦;曹明盛;李宇杰;郭薇薇.城市轨道交通列车-桥梁系统动力响应数值分析及现场测试[J].振动工程学报,2021,34(4):790-798.