地鐵列車-軌道系統(tǒng)的動(dòng)力耦合及誘發(fā)的環(huán)境振動(dòng).pdf

1、隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市的交通擁堵問題也日趨嚴(yán)重。作為解決大城市交通問題的重要手段，地鐵交通設(shè)施的建設(shè)和發(fā)展愈發(fā)迅速。與此同時(shí)，地鐵誘發(fā)的環(huán)境振動(dòng)及其減、隔振研究也已成為學(xué)術(shù)界和工程界研究的熱點(diǎn)。本文闡述了國內(nèi)外關(guān)于列車誘發(fā)環(huán)境振動(dòng)等領(lǐng)域的研究成果和應(yīng)用現(xiàn)狀，系統(tǒng)地研究了地鐵一軌道系統(tǒng)的動(dòng)力耦合、土一結(jié)相互作用以及地鐵誘發(fā)環(huán)境振動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理和傳播規(guī)律，主要取得了如下幾個(gè)方面的成果。 1．軌道不平順是引起列車一軌道系統(tǒng)振動(dòng)的

2、一個(gè)重要原因，在進(jìn)行列車一軌道系統(tǒng)的非線性動(dòng)力耦合分析時(shí)，合理的軌道不平順時(shí)域隨機(jī)樣本輸入對保證動(dòng)力分析結(jié)果的可靠性是十分重要的。本文根據(jù)隨機(jī)理論推導(dǎo)出了軌道不平順譜的空間域與時(shí)間域轉(zhuǎn)化關(guān)系，給出了軌道不平順樣本數(shù)值模擬方法的基本原理，提出了一種與逆傅氏變換等價(jià)的新三角級數(shù)模擬方法。計(jì)算分析表明，在幾種常用模擬方法中，逆傅氏變換法具有更高的計(jì)算效率。 軌道加速度法和軌道不平順法是實(shí)踐中較為常用的兩種簡化列車荷載模擬方法，該類簡化

3、方法假定輪軌之間為理想接觸，忽略輪軌間實(shí)際存在的非線性接觸和碰撞等因素，利用解析方法進(jìn)行列車荷載求解。本文通過引入軌道不平順譜和頻響函數(shù)及快速傅立葉變換算法，改進(jìn)了以軌道不平順作為輸入的列車荷載模擬有限元模型，加快了荷載樣本的模擬速度，提高了列車荷載數(shù)值模擬的效率和可靠性。與列車荷載模擬的有限元方法相比，列車簡化荷載模型存在一定的誤差，不能全面反映列車軸重的移動(dòng)效應(yīng)，需控制其應(yīng)用條件和范圍。 2．通過ANSYS的二次開發(fā)，建立了

4、多次透射邊界和粘彈性邊界兩種局部人工邊界分析模塊，利用模型討論了邊界的設(shè)置原則。研究了土一結(jié)相互作用的簡化模擬方法，引入了精度可控的地基阻抗力時(shí)域模擬方法一時(shí)域?yàn)V波器，并利用隧道的時(shí)域動(dòng)力分析結(jié)果進(jìn)行了了隧道地基的阻抗函數(shù)模擬，分析結(jié)果表明該方法有一定的可靠性。利用ANSYS的二次開發(fā)建立了列車一軌道系統(tǒng)的二維有限元分析模塊，實(shí)現(xiàn)了對列車一軌道系統(tǒng)的動(dòng)力耦合有限元分析。分析模塊的輪軌接觸力采用非線性Hertz接觸理論解析解處理，通過對輪

5、軌接觸點(diǎn)和接觸力的動(dòng)態(tài)分析來實(shí)現(xiàn)列車一軌道系統(tǒng)的動(dòng)力耦合有限元分析，而精度可控的多參數(shù)地基阻抗模擬方法的引入則提高了軌道與隧道相互作用的模擬精度。此外，為了解決輪軌接觸有限元分析耗費(fèi)計(jì)算資源巨大和難以收斂等問題，本文還提出了根據(jù)時(shí)步長度對輪軌接觸常數(shù)進(jìn)行適當(dāng)折減的方法。對列車一軌道系統(tǒng)的動(dòng)力耦合有限元分析結(jié)果表明，軌道減振措施可以有效降低列車一軌道系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)；在較低輪軌接觸常數(shù)下，地基對列車一軌道系統(tǒng)動(dòng)力反應(yīng)影響很小。但在較高輪軌接

6、觸常數(shù)情況下，由于輪軌接觸力的增大，地基阻抗力對系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)有一定的影響(這也說明了時(shí)域?yàn)V波器方法的有效性)；列車速度和軌道不平順都對列車一軌道系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)有一定影響，車速的提高和軌道不平順的參與都會加重系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)，但在較高的輪軌接觸常數(shù)情況下，軌道不平順的影響并不明顯。 3．對某地地鐵1號和2號線路沿線地鐵誘發(fā)地面和建筑物的振動(dòng)進(jìn)行了實(shí)測和分析，得出了相應(yīng)的振動(dòng)規(guī)律，并初步討論了地鐵誘發(fā)環(huán)境振動(dòng)的影響因素。建立了列車一

7、隧道一建筑物的整體二維有限動(dòng)力分析模型，對不同工況條件下的地面及建筑物的振動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論，即不同土質(zhì)條件下的地面振動(dòng)規(guī)律大致相同，其中豎向振動(dòng)是以距隧道中心距離為變量的衰減曲線；而水平振動(dòng)則呈拋物線性變化，在20-30米范圍內(nèi)水平振動(dòng)幅值到達(dá)了最高點(diǎn)，然后開始曲線衰減；建筑物的存在和遠(yuǎn)端土質(zhì)變化都對地面振動(dòng)規(guī)律有一定影響，有可能造成振動(dòng)局部放大，但隧道埋深和列車速度改變對地面振動(dòng)規(guī)律的影響不大；此外，有限元模型的邊界

8、設(shè)置對地面振動(dòng)規(guī)律影響很大，尤以軟土工況和水平振動(dòng)情況為甚。在簡單邊界設(shè)置條件下，地面振動(dòng)衰減出現(xiàn)了局部放大區(qū)現(xiàn)象。 數(shù)值模擬分析還表明，建筑物的豎向振動(dòng)沿其高度不斷增大，但增大趨勢逐漸變緩，而水平振動(dòng)沿其高度的變化則較為復(fù)雜。隨著建筑物遠(yuǎn)離隧道，其水平和豎向振動(dòng)都出現(xiàn)了不同程度的衰減，衰減規(guī)律與地面振動(dòng)的衰減規(guī)律有一定的關(guān)系，但不同的樓層間存在著一定的差別。列車速度對建筑物的振動(dòng)有一定影響，但對豎向與水平振動(dòng)的影響規(guī)律有明顯的