交通运输系统产生的噪音和振动会严重影响人们的健康和生态环境。城市环境中铁路引起的振动会对周围的建筑物、基础设施和居民造成干扰和损害。几十年来，已经提出了许多缓解方法来衰减源、传输路径或接收端处的振动。事实上，低频或地面振动在源头上更难以缓解，而传播路径中的一些衰减措施是可以适用的。为了拓宽低频段的缓解范围，已经建立了超材料/结构的应用。在铁路系统中，周期性结构或谐振器可安装在受保护建筑物附近，以隔离振动。尽管提出了大量衰减方法，但尚未确定这些方法的可持续性。基于合理的工程假设，本研究分析了施工和维护过程中的DCF（Discounted Cash Flows贴现现金流，DCF是用来评估一个投资机会的吸引力的方法），以评估生命周期成本、材料和燃料数量以及碳排放量。这项研究是世界上首次确定在正常和恶劣天气条件下某些传输路径衰减方法的有效性和可持续性。结果表明，泡沫土沟槽和波形护栏防阻块是最合适的方法。尽管超材料的应用可以显著减轻更大范围的低频振动，但总成本和碳排放相对较高。为了实现低成本、低碳的超材料/结构，有必要对设计参数进行重大修改。
铁路系统一直被视为最可持续和最安全的公共交通方式之一。由于铁路系统在许多国家迅速扩展，一些铁路线已在城市地区修建，周围有建筑物和基础设施。铁路振动对周围居民和建筑物造成的干扰引起了公众的特别关注。铁路振动会影响乘客乘坐舒适性，低频振动会对铁路线附近的建筑物、隧道和基础设施造成结构损坏[1]。为了减轻铁路走廊沿线的地面振动，业界已经提出并实施了一些缓解方法。然而，由于缺乏对成本效率、可持续价值和整个生命周期的环境影响的详细评估，在现实生活中很难确定和选择最佳方法[2]。
为了在生命周期成本和碳排放方面比较缓解方法的有效性和可持续性，需要首先确定铁路振动的来源和衰减方法的类型。铁路振动主要产生于轮轨接触面，并从轨道传递到路基、地层和基岩。机车车辆的动荷载导致振动波传播到地面，尤其是当轮轨界面不规则或存在重大缺陷时。当铁路振动穿透地面并导致二次振动产生时（例如，通过地面放大、隧道管道等），这种振动效应通常被称为地面振动[3,4]。铁路振动的振幅和频率主要取决于列车和轨道的状况以及土层传递和吸收动态冲击的能力。根据动态放大系数、地质条件和缓解位置，衰减方法可分为三类，包括：（i）缓解震源处的振动，（ii）衰减传播路径中的振动强度，以及（iii）将接收端（如周围结构）与振动隔离[5,6]。与其他两种类型的缓解方法（即方法（I）和（II））相比，在现有建筑物或基础设施下建造隔震系统或改变基础条件[7、8、9、10]是相当困难的且通常是耗费成本的。因此，在振源处或在传输路径处的振动减轻优选地应用于实践中。在本研究中，讨论了一些常见的缓解方法，包括沟槽、板桩墙和路基加固方法等。尽管已经测试并应用了许多在震源或传播路径上进行减振的方法，但对于超材料在减振中的应用进行了较小规模的研究[11,12,13]。超材料是人工构建的材料，在配置中具有重复的模式。超材料的一个关键特征是，由于周期性排列，可以防止特定频率的波在超材料中传播[14]。事实上，在地震设计中，超材料已经在一个数值模型中得到验证，该模型可以保护建筑物在地震中免受结构损坏，因为这种波的衰减特性[15]。考虑到减振机理类似于地震防护，可以提出并分析地震超材料在铁路系统中的应用。本项目讨论了两种新型缓解方法，包括钳位超材料阻带和超材料谐振器。为了加强对成本效益和环境影响的详细评估，有必要对上述减排方法与一些现有方法（如土工泡沫、钢板桩、喷射灌浆柱和石柱等）进行生命周期评估。本研究前所未有的对常见和不利条件下的减振方法进行了生命周期评估。本研究选择了长度为100m的直线铁路段进行对比分析。在生命周期成本分析中，每种方法的施工、维护和更新过程中的净现值成本是在分析50年期的现金流后确定的。考虑到货币的时间价值，在成本估算中采用贴现率。对于环境影响分析，估算总碳足迹，包括所需数量材料的嵌入排放量以及安装和维护期间使用的设备的排放量。本文重点介绍了两种新型的超材料减振措施，并与以往研究中提出的传统减振方法进行了比较。随后确定每种方法的生命周期成本和碳排放量，以证明可持续发展标准的合理性。这两个方面是本研究的重点，因为它们是可持续发展的基础[16,17]。根据生命周期评估结果，可以在正常和不利天气条件下比较这些方法在经济和环境保护方面的有效性。这项研究是世界上第一次确定在极端天气条件下减振方法的可持续性。当遇到气候变化不确定性和自然灾害导致的极端事件时，对生命周期成本和碳足印的深入研究，将为铁路噪音和振动减缓措施的可持续战略和更清洁的解决方案奠定基础。
图2: 不同半径夹紧钢圆柱的频散曲线：左- 半径0.6 m；右 - 半径0.3 m图3: 超屏障示意图：(a)波转换；(b)超屏障布局；(c)谐振器组件 图4: 钳位超材料阻带排列示意图：（a）平面图；(b)立面图图5: 超材料谐振器结构示意图；(a)立面图；(b)平面图表A2: 铁路走廊的概念应用。缓解方法的概念和假设源自相关参考资料。设计理念已被采用，材料用量已从相关参考资料中估算出来。 根据世界绿色建筑理事会[58]的统计，与建筑和施工相关的活动造成了全世界39%的碳排放，运营排放（从用于加热、冷却和轻型建筑的能源）占28%。剩下的11%来自具体的碳排放，或直接与整个建筑生命周期中的材料、施工和维护过程相关的“前期”碳排放。这导致了人们对关键基础设施（包括铁路基础设施及其铁路走廊沿线资产）更好、更绿色和更可持续发展（包括建设、施工和维护阶段）的强烈关注。事实上，运输部门运营产生的噪音、振动和碳排放会严重影响人们的健康和环境生态系统，需要采取缓解措施，以实现所有运输方式的更大减排，特别是在施工和维护阶段。因此，考虑到系统思维方法，本研究强调了可抑制传输路径沿线低频振动的铁路减振措施。对生命周期成本和碳排放进行了分析，以评估每项措施的有效性和可持续性。根据研究结果，WIB和土工泡沫沟槽是最经济和可持续的方法来减轻地面振动。这两种技术是最环保的振动抑制方法。值得注意的是，WIB更适用于新的施工现场。尽管超材料应用已被证明是完全隔离更大范围低频波的有效方法，但它们确实产生了相对较高的成本和碳排放。因此，需要对超材料的改进设计和改性进行更多的研究，以实现更低的成本和碳足迹。这项研究的新见解将导致更可持续地发展协调的方法，以及嵌入式系统和基础设施，以检测和抑制铁路噪音和振动。深入了解减振装置在恶劣天气条件下的脆弱性和恢复力，将有助于工程师和管理人员选择最佳方法，更好地规划网络走廊沿线铁路资产的基于风险的检查和维护。
原文来源：Sustainability 2020, 12(24), 10236; https://doi.org/10.3390/su122410236，Sustainability of Vibration Mitigation Methods Using Meta-Materials/Structures along Railway Corridors Exposed to Adverse Weather Conditions原文作者：Sakdirat Kaewunruen，Zhangjun Qin，英国伯明翰大学工程学院土木工程系
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