磁流變阻尼半主動(dòng)減振浮置板軌道動(dòng)力響應(yīng)分析及其地面振動(dòng)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(dòng)問題對(duì)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(shí)踐表明:在振源處采取減振措施是較為經(jīng)濟(jì)有效的地面振動(dòng)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(shí)現(xiàn)振動(dòng)的有效隔離，但其對(duì)于土層中波長較長、穿透能力強(qiáng)的低頻振動(dòng)(＜20Hz)的衰減不甚理想。借鑒磁流變阻尼半主動(dòng)控制技術(shù)在其他工程領(lǐng)域的應(yīng)用思路，為進(jìn)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(dòng)力響應(yīng)特征，確定了鋼彈簧浮置板軌道主要設(shè)計(jì)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(dòng)力特征，建立了地鐵車輛-磁流變阻尼半主動(dòng)減振浮置板軌道垂向耦合模型，并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，確定了浮置板軌道中磁流變阻尼的半主動(dòng)控制策略及關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，最后對(duì)地鐵沿線地面振動(dòng)的控制效果進(jìn)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(shí)/頻域動(dòng)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(jì)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(shí)域瞬態(tài)動(dòng)力分析方法，以鋼軌和浮置板垂向振動(dòng)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(dòng)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(jì)了基于移動(dòng)時(shí)間窗的反饋控制算法，較為真實(shí)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(jī)性均較強(qiáng)的輪軌耦合振動(dòng)系統(tǒng)中，綜合考慮輪軌安全性和地鐵減振性兩個(gè)方面，建議采用地棚控制策略來對(duì)浮置板軌道的垂向振動(dòng)進(jìn)行控制。對(duì)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(duì)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(dòng)過程中發(fā)生“高頻震顫”，在本文計(jì)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(shí)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(shí)滯設(shè)計(jì)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(dòng)位移，因此在當(dāng)前計(jì)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(diǎn)反力在1Hz～20Hz范圍內(nèi)平均可減小4.9％，從

6、而有利于進(jìn)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(yùn)行過程中地面土體豎向振動(dòng)加速度存在局部放大現(xiàn)象，該現(xiàn)象與振動(dòng)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(shí)，地面豎向振動(dòng)加速度又出現(xiàn)降低的趨勢，其原因是振動(dòng)波在土體中傳播時(shí)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(dòng)衰減速率與振動(dòng)頻率和傳播距離關(guān)系密切，即高頻振動(dòng)在土層中隨著傳播距離的增加衰減較快，而低頻振動(dòng)在土層中隨著傳播距離的增加衰減較慢，因此低頻振動(dòng)傳播距離遠(yuǎn)且影響范圍廣。在此研究基礎(chǔ)上，通過對(duì)磁流變阻尼半主動(dòng)減振浮置板軌道應(yīng)用前后的地面振動(dòng)進(jìn)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(dòng)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(duì)于0～20Hz范圍內(nèi)地鐵沿線的地面土體豎向振動(dòng)減振效果