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

1、隨著城市化進程的不斷加快，城市的交通擁堵問題也日趨嚴重。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，地鐵誘發(fā)的環(huán)境振動及其減、隔振研究也已成為學術(shù)界和工程界研究的熱點。本文闡述了國內(nèi)外關(guān)于列車誘發(fā)環(huán)境振動等領(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)的動力耦合、土一結(jié)相互作用以及地鐵誘發(fā)環(huán)境振動的產(chǎn)生機理和傳播規(guī)律，主要取得了如下幾個方面的成果。 1．軌道不平順是引起列車一軌道系統(tǒng)振動的

2、一個重要原因，在進行列車一軌道系統(tǒng)的非線性動力耦合分析時，合理的軌道不平順時域隨機樣本輸入對保證動力分析結(jié)果的可靠性是十分重要的。本文根據(jù)隨機理論推導(dǎo)出了軌道不平順譜的空間域與時間域轉(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的新三角級數(shù)模擬方法。計算分析表明，在幾種常用模擬方法中，逆傅氏變換法具有更高的計算效率。 軌道加速度法和軌道不平順法是實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，忽略輪軌間實際存在的非線性接觸和碰撞等因素，利用解析方法進行列車荷載求解。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域模擬方法一時域濾波器，并利用隧道的時域動力分析結(jié)果進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，實現(xiàn)了對列車一軌道系統(tǒng)的動力耦合有限元分析。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、軌接觸點和接觸力的動態(tài)分析來實現(xiàn)列車一軌道系統(tǒng)的動力耦合有限元分析，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計算資源巨大和難以收斂等問題，本文還提出了根據(jù)時步長度對輪軌接觸常數(shù)進行適當折減的方法。對列車一軌道系統(tǒng)的動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)的動力響應(yīng)有一定的影響(這也說明了時域濾波器方法的有效性)；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進行了實測和分析，得出了相應(yīng)的振動規(guī)律，并初步討論了地鐵誘發(fā)環(huán)境振動的影響因素。建立了列車一

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

8、設(shè)置對地面振動規(guī)律影響很大，尤以軟土工況和水平振動情況為甚。在簡單邊界設(shè)置條件下，地面振動衰減出現(xiàn)了局部放大區(qū)現(xiàn)象。 數(shù)值模擬分析還表明，建筑物的豎向振動沿其高度不斷增大，但增大趨勢逐漸變緩，而水平振動沿其高度的變化則較為復(fù)雜。隨著建筑物遠離隧道，其水平和豎向振動都出現(xiàn)了不同程度的衰減，衰減規(guī)律與地面振動的衰減規(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有一定影響，但對豎向與水平振動的影響規(guī)律有明顯的