磁流變阻尼半主動減振浮置板軌道動力響應(yīng)分析及其地面振動預(yù)測.pdf

1、隨著我國城市軌道交通的迅猛發(fā)展，由此產(chǎn)生的地面振動問題對人們的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生了日益顯著的影響。大量的工程實踐表明:在振源處采取減振措施是較為經(jīng)濟有效的地面振動控制方法。其中，減振效果最好的鋼彈簧浮置板軌道在較寬頻范圍內(nèi)能實現(xiàn)振動的有效隔離，但其對于土層中波長較長、穿透能力強的低頻振動(＜20Hz)的衰減不甚理想。借鑒磁流變阻尼半主動控制技術(shù)在其他工程領(lǐng)域的應(yīng)用思路，為進一步提高鋼彈簧浮置板軌道的低頻減振效果提供了一條新的途徑。本文首先系

2、統(tǒng)性地分析了地鐵車輛-鋼彈簧浮置板軌道垂向耦合動力響應(yīng)特征，確定了鋼彈簧浮置板軌道主要設(shè)計參數(shù)的合理取值。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合磁流變阻尼器的非線性動力特征，建立了地鐵車輛-磁流變阻尼半主動減振浮置板軌道垂向耦合模型，并對其進行動力響應(yīng)分析，確定了浮置板軌道中磁流變阻尼的半主動控制策略及關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，最后對地鐵沿線地面振動的控制效果進行了預(yù)測分析。主要研究成果和結(jié)論如下:
　　(1)基于地鐵車輛-軌道耦合系統(tǒng)的時/頻域動力響應(yīng)分析，提出

3、了鋼彈簧浮置板軌道主要參數(shù)的設(shè)計過程。首先依據(jù)根據(jù)工程類比來初步確定扣件剛度、浮置板尺寸（主要是厚度與長度）、隔振器剛度及其支承間距。接著，應(yīng)用地鐵車輛-鋼彈簧浮置板軌道耦合系統(tǒng)時域瞬態(tài)動力分析方法，以鋼軌和浮置板垂向振動位移以及輪重減載率的最大允許值為限值，從施工條件和輪軌安全性出發(fā)，確定扣件參數(shù)、浮置板尺寸、隔振器參數(shù)的可調(diào)范圍。最后，應(yīng)用地鐵車輛-鋼彈簧浮置板軌道耦合系統(tǒng)頻域穩(wěn)態(tài)動力分析方法，從地鐵減振性出發(fā)來確定扣件參數(shù)、浮置板

4、尺寸以及隔振器參數(shù)的合理取值。
　　(2)結(jié)合磁流變阻尼器智能可控的行為特征，設(shè)計了基于移動時間窗的反饋控制算法，較為真實的模擬了磁流變阻尼器在浮置板下的工作過程。
　　(3)在非線性與隨機性均較強的輪軌耦合振動系統(tǒng)中，綜合考慮輪軌安全性和地鐵減振性兩個方面，建議采用地棚控制策略來對浮置板軌道的垂向振動進行控制。對于一般減振要求的地段，磁流變阻尼力取為6kN左右較為合理，而對于減振要求較高的地段，可適當(dāng)增大磁流變阻尼力，但以

5、不超過12kN為宜。為防止鋼軌和浮置板在垂向振動過程中發(fā)生“高頻震顫”，在本文計算條件下建議磁流變阻尼器觸發(fā)閾值設(shè)置為0.5mm左右。響應(yīng)時滯與軌道不平順狀態(tài)緊密相關(guān)，在本文中考慮了軌道短波不平順的條件下，建議磁流變阻尼器的響應(yīng)時滯設(shè)計為0.15s。在地棚控制策略下，由于磁流變阻尼能顯著抑制鋼軌和浮置板的垂向振動位移，因此在當(dāng)前計算條件下鋼彈簧剛度還有20％左右的降低空間，使得浮置板支點反力在1Hz～20Hz范圍內(nèi)平均可減小4.9％，從

6、而有利于進一步提高浮置板軌道的低頻減振效果。
　　(4)基于隧道-土層瞬態(tài)分析有限元模型的理論仿真分析可知，在距離線路中心線40m～60m范圍內(nèi)，地鐵列車運行過程中地面土體豎向振動加速度存在局部放大現(xiàn)象，該現(xiàn)象與振動波在地鐵沿線地層結(jié)構(gòu)中的反射、折射以及透射是緊密相關(guān)的。當(dāng)與線路中心線距離在80m以上時，地面豎向振動加速度又出現(xiàn)降低的趨勢，其原因是振動波在土體中傳播時存在阻尼衰減和輻射衰減。在地鐵隧道沿線地質(zhì)條件一定的情況下，地面

7、土體的振動衰減速率與振動頻率和傳播距離關(guān)系密切，即高頻振動在土層中隨著傳播距離的增加衰減較快，而低頻振動在土層中隨著傳播距離的增加衰減較慢，因此低頻振動傳播距離遠且影響范圍廣。在此研究基礎(chǔ)上，通過對磁流變阻尼半主動減振浮置板軌道應(yīng)用前后的地面振動進行理論預(yù)測可知，相比于傳統(tǒng)鋼彈簧浮置板軌道，在0～80Hz范圍內(nèi)磁流變阻尼半主動減振浮置板軌道能不同程度地提高地鐵沿線的減振效果。其中，對于0～20Hz范圍內(nèi)地鐵沿線的地面土體豎向振動減振效果