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高铁地震信号特征分析及近场建筑结构振动评价研究

高铁地震信号特征分析及近场建筑结构振动评价研究

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作者：周志扬辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

高速铁路列车运行产生的高铁地震信号在地震勘探、列车运营监测、环境振动影响等方面具有重要的研究意义与应用价值。为明确高铁地震信号的多种特征及近场中建筑结构受到的振动影响,本文在现场采集试验和现场监测试验的基础上,提出高铁... 详细信息

高速铁路列车运行产生的高铁地震信号在地震勘探、列车运营监测、环境振动影响等方面具有重要的研究意义与应用价值。为明确高铁地震信号的多种特征及近场中建筑结构受到的振动影响,本文在现场采集试验和现场监测试验的基础上,提出高铁地震信号的合成方法,并通过时频分析获得高铁地震信号的主频范围以及质点峰值振动速度的衰减特征;为发掘高铁地震信号的隐含传播规律与属性特征,对高铁地震信号的分形与多重分形特征进行验证,建立分形参数与传播介质特征的联系;为明确局部放大现象的产生机理,进行高速铁路桥墩地基场地中局部放大现象的成因分析及位置预测;在高铁地震信号特征分析的基础上,基于质点峰值振动速度衰减经验公式和简谐激励作用下建筑结构振动响应原理,提出等效质点峰值振动速度(等效PPV),并将其作为适用于高速铁路线路周边建筑结构的振动评价参数值。经验证后的研究结果主要结论如下:(1)高铁地震信号主要由列车轨道的不平顺、列车系统的振动、路基系统的振动等激发产生,其在介质中的传播与衰减受传播介质物理性质和空间扩散范围的影响,具有易采集、能量大、循环稳定、富含信息量大、存在局部放大现象的特性。(2)通过将行驶中的高铁列车简化为移动的多组点源模型,考虑了高铁地震信号衰减的影响因素,推导了高铁震源函数;在此基础上,进行了高铁地震信号的现场采集试验;通过对比验证结果表明,基于该高铁震源函数合成的高铁地震信号能够反映高铁地震信号能量衰减特征;高铁地震信号的时频特征分析结果表明:高铁地震信号的主频分布范围在0～20Hz,除G924次列车产生的高铁地震信号在震源距45m处出现了局部放大现象,质点峰值振动速度整体上随震源距的增大而衰减。(3)通过自相似性和标度不变性,验证了高铁地震信号具有显著的分形特征,得出了高铁地震信号的分形维数可以作为传播介质突变识别的基础方法之一;进而基于广义信息维D、标度指数τ分别与权重因子q的对应关系曲线,验证了高铁地震信号具有多重分形特征,同时发现了传播介质的改变对多重分形参数具有影响:连续墙使墙前1.5m范围和墙后18.5m范围内,高铁地震信号的波动剧烈程度趋于一致,并使连续墙后18.5m范围内,高铁地震信号的大、小波动占比出现大幅改变。(4)基于层状地基中波的叠加作用原理,理论推导了地表处表面波与近地表体波的叠加位置与走时,通过计算和正演模拟的方法,验证了高铁地震波在双层地基中的反射、折射以及透射是地表处产生两处局部放大现象的原因,实现了高速铁路桥墩地基场地中局部放大现象位置的预测,误差范围在3m以内。(5)基于等效PPV进行了高速铁路周边建筑结构的振动评价研究,表明了高铁地震信号质点峰值振动速度衰减公式能够反映场地中高铁地震信号的实际衰减特征,可用于各震源距处高铁地震信号的质点峰值振动速度预测和计算;震源距45m处,G924次列车的0～10Hz等效PPV值超过了1mm/s,当此处存在振动敏感和具有保护价值建筑结构时,高速铁路列车的长期反复作用将对建筑结构造成振动影响甚至损伤;基于等效PPV的建筑结构振动评价方法具有振动敏感性大、可针对特定建筑结构进行振动控制、可在高速铁路周边建筑结构选址前进行预振动评价等优点;等效PPV的建筑结构振动评价方法使局部放大现象的振动影响程度和范围可视化,在高速铁路沿线建筑结构的振动评价工作中,应重点关注局部放大现象。本论文有图34幅,表15个,参考文献102篇。

关键词：高铁地震信号震源函数时频分析分形特征局部放大现象建筑结构振动评价

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