CC BY
140
УДК 629.4.01 5:625.032.435
Т. С. Титова, А. Е. Шашурин, К. В. Бужинский, В. В. Светлов
ОБРАЗОВАНИЕ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВИБРАЦИИ ПРИ ДВИЖЕНИИ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ПОЕЗДОВ
Дата поступления: 10.07.2017 Решение о публикации: 17.07.2017
Аннотация
Цель: Определение механизмов возникновения и распространения вибрации при движении высокоскоростных поездов. Методы: Возникновение и распространение вибрации вычисляется по методике расчета затухания вибрации, которое обусловливается расширением фронта вибрационной волны в пространстве, внутренними потерями в грунте и упругим волновым сопротивлением среды. Результаты: Теоретические исследования в основном подтверждены результатами экспериментальных исследований. Практическая значимость: Применение приведенной методики расчета затухания вибрации на начальных этапах проектирования высокоскоростных железнодорожных магистралей для прогнозирования уровней вибрации и выбора средств виброзащиты.
Ключевые слова: Вибрация, высокоскоростной поезд, расчет.
Tamila S. Tytova, D. Eng. Sci., professor, head of a chair, vice-principal (Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University); *Aleksander Y. Shashurin, Cand. Eng. Sci., associate professor, 7596890@mail.ru; Konstantin V. Buzhinskiy, postgraduate student, kinstintin07@ rambler.ru (D. F. Ustinov Baltic State Technical University "VOYENMEKH"); Valerii V. Svetlov, head of acoustics department, svetlov-valeriy@yandex.ru (OOO "Acoustic Design Institute") VIBRATIONS' FORMATION AND TRANSMISSION DURING HIGH-SPEED TRAINS' OPERATION
Summary
Objective: To determine the mechanisms of vibration's occurrence and transmission during highspeed trains' operation. Methods: The occurrence and transmission of vibration is calculated by means of vibration attenuation calculation method, which results from the extension of the vibration wave front in space, ground internal loss and elastic medium wave impedance. Results: Theoretical studies were generally confirmed by the results of experimental studies. Practical importance: Application of the given calculation method of vibration dumping in the early stages of high-speed railway lines construction, in order to predict the level of vibrations and select the means of level protection.
Keywords: Vibration, high-speed train, calculation.
Образование вибрации
Последние 20 лет ознаменовались быстрым развитием высокоскоростного движения во многих странах мира. Вибрация грунта, вызываемая высокоскоростными поездами, является важной проблемой окружающей среды, так как она возникает при движении поездов, передается через грунт в близ-расположенные дома и может оказывать заметное негативное воздействие на конструкции зданий и здоровье жителей.
В бесконечных твердых упругих средах вибрация распространяется посредством следующих механизмов:
- волны сжатия (продольные волны) с движением частиц в виде колебаний в направлении движения;
- волны сдвига (поперечные волны) с движением частиц в виде колебаний в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения;
- волны Рэлея, которые являются поверхностными волнами с эллиптическим движением частиц в вертикальной плоскости, проходящей по направлению распространения волны;
- волны Лава (поверхностные волны), распространяющиеся в направлении движения.
В ряде источников, например в [1, 2], указывается на феномен вибрации, вызываемой высокоскоростными поездами. Хорошо известно, что с возрастанием скорости поезда усиливается и создаваемая им вибрация. Это особенно заметно, когда скорость поезда приближается к определенным критическим скоростям упругих волн, распространяющихся в грунте, самой важной из которых является поверхностная волна Рэлея. Если скорость поезда превышает волновую скорость Рэлея в опорном грунте, может произойти резкий рост вибрации грунта. Такое явление похоже на звуковой удар, вызванный самолетом, проходящим звуковой барьер, что подтверждено экспериментально.
Скорость волны Рэлея зависит от плотности грунта и находится в пределах 100-300 м/с [3, 4]. Первое значение - для мягкой почвы, второе - для твердой. Нетрудно подсчитать, что для мягких грунтов данный эффект может произойти при достижении поездом скорости 350 км/ч (и выше).
Расчет распространения вибрации
Затухание вибрации в грунте обусловлено тремя основными механизмами:
- расширением фронта распространяющейся от источника вибрационной волны в пространстве;
- внутренними потерями в грунте;
- упругим волновым сопротивлением среды.
Результирующее уменьшение вибрации (Азат) от источника до расчетной точки (РТ) можно представить следующим образом [5]:
А = А + А + А ,
зат геом пот сопр7
здесь Агеом - уменьшение вибрации при увеличении фронта волны; Апот - затухание, обусловленное внутренними потерями; Асопр - затухание, вызванное наличием импеданса грунта.
Потери на расширение фронта волны зависят от геометрических характеристик источника (линейный, точечный) и расстояния от источника до РТ [5]:
4ге ом = 10^
{ гЛ
Го + R
Ч Г0 у
где г0 - радиус сечения тоннеля (в предположении, что он является источником вибраций в окружающей среде); R - расстояние от тоннеля до РТ.
Внутренние потери в грунте (п) вызывают затухание вибрации по мере увеличения расстояния [5]:
4.0, = 4,34 ^,
Спр
здесь ю - круговая частота (ю = 2л/); п - коэффициент потерь; спр - скорость распространения продольной волны в грунте.
Значения с, п и плотности р для основных типов грунта приведены в таблице [5].
Параметры типичных грунтов
Вид грунта Плотность грунта, р, г/см 3 Скорость распространения продольной волны, с , м/с пр' Коэффициент потерь, п
Скальный грунт 2,65 3500 0,01
Песок 1,6 600 0,1
Глина 1,7 1500 0,2
Затухание в грунте, обусловленное импедансом среды [5], равно
Аопр = 20^
С \
1 + Р2С2 Ч Р1С1
где р - плотность слоя грунта; с - скорость распространения продольной волны в слое грунта.
Предполагается, что вибрация проходит от слоя грунта с индексом «1» к грунту с индексом «2».
Вибрация при переходе от грунта в фундамент и прохождении по фундаменту здания затухает. Затухание зависит от типа фундамента (свайный, ленточный и пр.). Вибрация от железнодорожных поездов определяется состоянием пути и типом поездов.
В результате теоретических расчетов и проведения экспериментальных исследований была получена закономерность затухания в грунте, показанная на рис. 1 [6].
3 6 9 12 15 21 30,5 61 91,5122 213305
Расстояние от оси, м
Рис. 1. Зависимость вибрации от расстояния для высокоскоростных поездов со скоростью движения 240 км/ч [6]
Результаты экспериментальных исследований
С целью получения данных о распространении и затухании уровней вибрации были проведены эксперименты на высокоскоростных железнодорожных магистралях в Испании [7]. Скорость подвижного состава на участке измерений составляла 300 км/ч.
Анализ измеренных значений уровней виброускорения показал, что вибрационная энергия при движении поезда находится в диапазоне частот
16-63 Гц. Вибрационное воздействие на частотах 2-8 Гц обусловлено только фоновыми уровнями. Результаты измерений для разных частот представлены на рис. 2.
ш Ч
<£
х
01
О :с
и >
О
Ю X со
X X
со
о >
Рис. 2. Измеренные значения уровней виброускорения в вертикальном направлении
на различных расстояниях от оси пути
В результате анализа полученных данных были сделаны следующие выводы:
1) натурным путем подтверждены теоретические основы затухания вибрации (см. данные на рис. 1 и 2);
2) нормативные значения для помещений жилых и общественных зданий в вертикальном направлении, согласно [8], не превышены;
3) нормативные значения в горизонтальных направлениях в соответствии с исследованиями [2] достигаются на расстоянии свыше 25 м от оси пути движения высокоскоростного поезда.
Заключение
Результаты натурных измерений подтвердили ранее выполненные теоретические исследования в данной области [9, 10]. Они показали, что для вибрации, распространяющейся по осям, ориентированным параллельно и перпендикулярно оси движения поезда, необходимо проведение дополнительных исследований вследствие влияния волн Рэлея.
Отметим, что постановка и решение задач снижения вибрации от высокоскоростного железнодорожного транспорта и создания методов виброзащиты находятся в настоящее время на уровне поисковых изысканий. Предстоит
90 80 70 60 50 40 30
7,5
15 30
Расстояние до оси железнодорожного пути, м
16 Гц 31,5 Гц 63 Гц
60
выполнение большого комплекса теоретических и особенно экспериментальных исследований, так как распространение вибрации зависит от типа грунта, времени года, скорости движения поезда и пр. [7].
Библиографический список
1. Krylov V. V. Focusing of ground vibrations generated by high-speed trains / V. V. Kry-lov // Proceedings of ISMA-2014 including USD-2014. - Ground vibration. - P. 2007-2015.
2. Kouroussis G. Railway-induced ground vibrations - a review of vehicle effects /
G. Kouroussis, D. P. Connolly, O. Verlinden // Inter. Journal of Rail Transportation. - 2014. - Vol. 2, N 2. - P. 69-110.
3. Thompson D. Railway noise and vibration: mechanisms, modeling and means. - Elsevier, Great Britain, 2009. - P. 29-95, 399-435.
4. СП 23-105-2004. Оценка вибрации при проектировании, строительстве и эксплуатации объектов метрополитена. - М. : Госстрой России, ФГУП ЦПП, 2004. - 50 с.
5. Иванов Н. И. Инженерная акустика. Теория и практика борьбы с шумом : учебник /
H. И. Иванов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Логос, 2013. - 432 с. (Новая университетская библиотека).
6. DOT/FRA/ORD-12/15. High-Speed Ground Transportation Noise and Vibration Impact Assessment. - Washington DC, 20590 : U. S. Department of Transportation. Federal Railroad Administration. - September 2012.
7. Технический отчет по результатам измерений уровней вибрации на примере высокоскоростного движения на примере железных дорог в Испании. - СПб. : ООО «Ин-т акуст. конструкций», 2016.
8. СН 2.2.4/2.1.8.566-96. Санитарные нормы. Производственная вибрация, вибрация в помещения жилых и общественных зданий. - М. : Информ.-издат. центр, 1997. -20 с.
9. Miller G. F. On the partition of energy between elastic waves in a semi-infinite solid / G. F. Miller, H. Pursey // Proc. Roy. Soc. - Ser. A. - 1955. - Vol. 223, N 11925. - P. 55-69.
10. Schiappa F. High speed trains in Portugal. Vibration Impact Assessment / F. Schiappa, O. Domingues, J. Castro, S. Sequeira // 39th Intern. Congress on Noise Control Engineering, 2010. - Lisbon, Portugal, 2010. - P. 4417-4429.
References
1. Krylov V. V. Focusing of ground vibrations generated by high-speed trains. Proceedings of ISMA-2014 including USD-2014. Ground vibration, pp. 2007-2015.
2. Kouroussis G., Connolly D. P. & Verlinden O. Railway-induced ground vibrations - a review of vehicle effects. Inter. Journal of Rail Transportation, 2014, vol. 2, no. 2, pp. 69-110.
3. Thompson D. Railway noise and vibration: mechanisms, modeling and means. Elsevier, Great Britain, 2009, pp. 29-95, 399-435.
4. SP 23-105-2004. Otsenka vibratsii pry proyektyrovanii, stroitelstve i ekspluatatsii obyektov metropolytena [Regulations 23-105-2004. Vibration assessment in the process of engineering, construction and operation of underground railway objects]. Moscow, Gosstroi Russian, FGUP ZHPP Publ., 2004, 50 p. (In Russian)
5. Ivanov N. I. Inzhenernaya akustyka. Teoriya ipraktyka borby s shumom [Engineering acoustics. Theory and practice of noise abatement]. 3d edition, updated and revised. Moscow, Logos Publ., 2013, 432 p. (In Russian)
6. DOT/FRA/ORD-12/15. High-Speed Ground Transportation Noise and Vibration Impact Assessment. Washington, DC 20590, U. S. Department of Transportation. Federal Railroad Administration, September 2012.
7. Tekhnicheskiy otchet po rezultatam izmereniy urovney vibratsii na prymere vysoko-skorostnogo dvyzheniya na prymere zheleznykh dorog v Ispanii [Technical report on calculation results of vibration levels by the example of railroads in Spain]. Saint Petersburg, ООО «Institut akustycheskykh konstruktsiy» [LLC "Institute of acoustic structures"], 2016. (In Russian)
8. SN2.2.4/2.1.8.566-96. Sanytarniye normy. Proizvodstvennaya vibratsiya, vibratsiya v pomesheniyakh zhylykh i obshestvennykh zdaniy [Sanitary regulations 2.2.4/2.1.8.566-96. Process vibration, vibration in private premises and communal buildings]. Moscow, Inform.-izdat. centre, 1997, 20 p. (In Russian)
9. Miller G. F. & Pursey H. On the partition of energy between elastic waves in a semiinfinite solid. Proc. Roy. Soc. Ser. A., 1955, vol. 223, no. 11925, pp. 55-69.
10. Schiappa F., Domingues O., Castro J. & Sequeira S. High speed trains in Portugal. Vibration Impact Assessment. 39th Intern. Congress on Noise Control Engineering, 2010. Lisbon, Portugal, 2010, pp. 4417-4429.
ТИТОВА Тамила Семеновна - доктор техн. наук, профессор, заведующая кафедрой, проректор (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I); *ШАШУРИН Александр Евгеньевич - канд. техн. наук, доцент, 7596890@mail. ru; БУЖИНСКИЙ Константин Владимирович - аспирант, kinstintin07@rambler.ru (Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова); СВЕТЛОВ Валерий Валериевич - руководитель отдела акустики, svetlov-valeriy@yandex.ru (ООО «Институт акустических конструкций»).
© Титова Т. С., Шашурин А. Е., Бужинский К. В., Светлов В. В., 2017
