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作者： 郝铄综合报道 来源： 发布时间：2016-9-14 15:41:24
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到过日本的人都有一个普遍的感受，就是这个国家的轨道交通极其发达。
1987年4月，日本国有铁道（JNR）将原本国有的经营权移转为民营，成立了中日本铁路公司（JR Central）。这家公司经营的核心业务就是建设连接东京、名古屋和大阪等大都市区的运输干线——高速东海道新干线。
东海道新干线的大运量在日本经济增长和高标准生活中发挥了重要的作用，也为全球轨道交通的发展提供了一个值得借鉴的典范。
轨道交通：通达却不扰民
东海道新干线所连接的是日本人口最稠密的地区。这条新干线虽然为日本人民带来了很大的出行便利，但在其所经之地，也为周边的生活住宅区、商业中心、拥有精密仪器的科研单位和医院等带来振动与噪声困扰。
因此，有效防治铁路沿线所带来的噪声和振动，控制环境噪声，开始引发日本越来越多的重视。
为此，1975年，日本环境厅制定了“新干线铁路噪声环境质量标准”。标准值根据住宅使用状况分为两类：I类区域的标准值是70 dB及以下，II类区域的标准值是75 dB及以下。这些规定值在新干线商业运营时间内适用。
一年后，日本内阁通过了“新干线铁路噪声对策总则”。总则提出，为了达到环境质量标准，应大力推进以下三项措施：噪声源对策、赔偿损失，以及新干线铁路沿线土地利用规划。
基于该总则，日本国营铁路和中日本铁路公司做出了很大努力。为了从源头减小高速铁路噪声，他们对车辆进行了技术开发，包括受电弓罩、低噪声受电弓、车辆外形最佳化、车身平滑化等。在轨道方面，他们通过铺设弹性轨枕和道碴垫，以减小轨道和转向架发出的噪声。这些措施广泛已应用于东海道新干线的高架路段，对减小结构噪声尤其有效。
新干线铁路沿线还建有声屏障。日本试验开发了“山形”切口的新型声屏障，确保减噪的同时可以让乘客看到窗外的风景。此外，中日本铁路公司还在新干线铁路沿线还设有多个环境监督站，可随时进行噪声和振动测试。
由于采取了这些措施，自1964年新干线开通以来，尽管列车最高速度提高到270 公里/小时，但是对周边的噪声和振动污染却明显下降。在“专属住宅区”和“商业与工业区”,新干线即使在夜间仍可满足公路交通环境标准。
由于此前制定的“新干线铁路噪声环境质量标准”并没有统一测试地点的选定和测量方法等的详细要求，因此环境省组织学者、专家分别设置了专门委员会，自 2006年开始反复探讨，最终在2010年5月制定和公布了“既有线铁路噪声测试指南”和“新干线铁路噪声测量与评价指南”。
日本在城市轨道交通领域的减振降噪方面也进行了广泛的研究并取得许多工程技术成果，包括降低钢轨连接处冲击噪声的隔音装置，铺设在钢轨上的减振降噪板，通过降低轮轨间摩擦实现减振降噪的摩擦缓和剂以及隔声车轮等。
日本也对弹性车轮进行了较为深入的研究。
日本铁道综合研究所（RTRI）为降低轮轨滚动噪声和减少线路维修量，对不同类型的弹性车轮进行了研究。
RTRI首先进行了弹性车轮轮对落放试验，得出弹性车轮的动载荷大致为刚性车轮80％的结论；然后建立了弹性车轮轮对轨道动力学模型，研究不同运行速度下弹性车轮和刚性车轮的轨道动态性能作用情况，提出了弹性车轮对于减少轨道损坏方面有一定作用的结论。
此外，日本还对通过采用弹性车轮来降低高速转向架噪声和振动这一课题进行了试验研究，得出弹性车轮与普通车轮相比，无论对降低车内、外噪声还是转向架及地板的振动与噪声都具有较好效果的结论。
建筑桥梁：增加舒适度
在建筑结构设计中，振动引起的摇晃，特别是超高层建筑，会给人以不愉快、 不舒适的感觉。如何减轻摇晃对于高层建筑、高耸电视塔、旅游观光塔等的影响，成为了研究的重点。
世界各国对减振问题的重视，已经从探索研究进一步发展到实用领域，近年来取得了不错的效果。
实用性的减振装置必须满足五项要求：高性能、小型化、造价和运转费用低、故障少、安全性高。
早在20世纪70年代，日本学者就提出了高层建筑的主动控制方法，即利用液压或电力使辅助的质量动作，从而抑制建筑物的振动。
1993年，这种主动振动控制技术首次得到成功应用，两台主动调谐减振装置（AMD）被安置在横滨市高73层的“里程碑（Land Mark）”塔楼的第71层塔屋（高282米左右）内。结果显示，安装AMD后，塔楼的摇晃程度比未装置前减轻约一半。
日本三井建设株式会社在“本州——四国连络桥”（濑户大桥）的四国一侧, 建造有一座金黄色塔楼。该地由于冬春季节常遭遇频度较高的强风袭击，因此入馆人员常常感受到摇晃不安，塔楼为此曾多次被迫闭馆。
依靠增加梁柱和支撑刚度的办法来抑制摇晃,其效果是有限的。于是，工程人员决定在塔楼上安置利用水箱法减振的调谐液动阻尼器（TLD）。在使用了TLD方法后，多年来的观测表明，塔楼摇晃强度被减弱了1/2~1/3。之后，塔楼除台风袭击时闭过馆外，平时均基本正常使用，达到了明显的减振效果且提高了人们的舒适感。
调谐质量阻尼器（TMD）又被称为动力吸振装置，在强风或地震作用下，这种装置能降低结构物的振幅和整体变形。
1986年，TMD首次被应用在日本千叶县的港口望塔上。望塔由于塔体细长，对风的作用敏感，因此工程人员在顶部塔屋楼上设置了试验性TMD用以减振。之后，在千叶县东海岸发生大地震时，由于设置了TMD，该塔塔楼顶部变位振幅明显减小，从而衰减了地震的影响。
近年来，TMD的使用愈发广泛。日本43号国道芦屋人行天桥就采用了薄型TMD进行减振。
该天桥由于跨度较大，步行时振动非常大，行人反应非常不适。为了抑制这种振动，项目组先是想到了提高人行天桥主体的刚性及增加附加质量等措施。但是，如果对上下部结构工程进行大改造将会耗资巨大。最后，项目组考虑到后续工程的施工性和经济性，最终采用了在栏杆上设置薄型TMD的方法进行减振。这种设置类型因经济、作业简单、无需车道限制、异常情况下可正常检修等多项特点而凸显出巨大的优势。
防震减灾：提高安全性
主动控制方法由于系统复杂，且需依赖功率能源，在实际应用方面受到了很大的限制。相比之下，半主动和混合控制技术由于只需较小的控制能源而备受青睐。
在土建结构中常用的主动控制方法是在结构中适当的位置上应用作动器拖动附加质量块，或在结构内部（例如房屋楼层之间）安装作动器与弹性元件（拉索或杆件）施加控制力。日本鹿岛公司建的第一栋主动控制房屋用的就是 AMD系统。
半主动控制兼有被动控制和主动控制的优点。它具备主动控制的效果，又只需很小的电能就能通过调节和改变结构的性能以减小地震反应，因此比较适合于改善工程结构的抗震设防。
在日本，半主动控制的液压变阻尼系统已设被置于一座5层隔震房屋的隔震层中，通过智能化方法提高其在强地震中的安全性。此外，日本鹿岛公司在他们的大型振动台控制楼上采用了变刚度半主动控制系统（AVS），以减小控制楼在中震和大震中的反应。
摩擦阻尼器本身虽只具有理想弹塑性的特点，但可以通过与主体结构串、并联使用，获得具有接近双线性滞回特性的阻尼耗能效果。如日本Sawa Terri公司开发的钢丝绳张拉阻尼器和筒式滑块锁紧阻尼器就是应用这一原理的代表性产品。
TMD和TLD利用二次系统吸引主体结构的振动能量而使主体结构减振。在建筑防震上，这方面的研究和分析工作已做得较多，但试验研究和工程应用还不是很多。
日本在上世纪90年代初已研究开发了应用于高层建筑的集成式TMD，这种阻尼器在强震作用下具备一定的制动和保护能力。日本同时开发了可用于高塔和高楼的分层式TLD，已用于高106米的横滨海运塔和直径38.2米、高149.4米的圆筒形旅馆。为了拓宽可能调谐的频率范围，采用质量和刚度稍有不同的组合TMD或MT-MD的方案和设计方法也已被提出。
将主动控制与被动控制结合起来应用，或采用其它复合控制方式通常称为混合控制，其最常用的形式是用作动器拖动调谐质量阻尼器。日本已建成的 20多栋主动控制房屋绝大多数都采用混合控制方式。
总体而言，研究人员曾提出，主动控制、半主动控制和混合控制由于都需要实时观测结构反应并进行实时分析和反馈控制，系统极为复杂，在推广应用方面受制于经济和技术条件。相比之下，以增加结构阻尼、避免共振的被动控制技术则更适合在众多实际工程中应用。■
《科学新闻》 (科学新闻2016年7月刊 前沿视点)
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