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原文传递磁流变阻尼半主动减振浮置板轨道动力响应分析及其地面振动预测

论文题名：	磁流变阻尼半主动减振浮置板轨道动力响应分析及其地面振动预测
关键词：	城市轨道交通;地面振动;钢弹簧浮置板轨道;磁流变阻尼器;减振性
摘要：	随着我国城市轨道交通的迅猛发展，由此产生的地面振动问题对人们的生产和生活产生了日益显著的影响。大量的工程实践表明:在振源处采取减振措施是较为经济有效的地面振动控制方法。其中，减振效果最好的钢弹簧浮置板轨道在较宽频范围内能实现振动的有效隔离，但其对于土层中波长较长、穿透能力强的低频振动(＜20Hz)的衰减不甚理想。借鉴磁流变阻尼半主动控制技术在其他工程领域的应用思路，为进一步提高钢弹簧浮置板轨道的低频减振效果提供了一条新的途径。本文首先系统性地分析了地铁车辆-钢弹簧浮置板轨道垂向耦合动力响应特征，确定了钢弹簧浮置板轨道主要设计参数的合理取值。在此基础上，结合磁流变阻尼器的非线性动力特征，建立了地铁车辆-磁流变阻尼半主动减振浮置板轨道垂向耦合模型，并对其进行动力响应分析，确定了浮置板轨道中磁流变阻尼的半主动控制策略及关键设计参数，最后对地铁沿线地面振动的控制效果进行了预测分析。主要研究成果和结论如下: 　　(1)基于地铁车辆-轨道耦合系统的时/频域动力响应分析，提出了钢弹簧浮置板轨道主要参数的设计过程。首先依据根据工程类比来初步确定扣件刚度、浮置板尺寸（主要是厚度与长度）、隔振器刚度及其支承间距。接着，应用地铁车辆-钢弹簧浮置板轨道耦合系统时域瞬态动力分析方法，以钢轨和浮置板垂向振动位移以及轮重减载率的最大允许值为限值，从施工条件和轮轨安全性出发，确定扣件参数、浮置板尺寸、隔振器参数的可调范围。最后，应用地铁车辆-钢弹簧浮置板轨道耦合系统频域稳态动力分析方法，从地铁减振性出发来确定扣件参数、浮置板尺寸以及隔振器参数的合理取值。　　(2)结合磁流变阻尼器智能可控的行为特征，设计了基于移动时间窗的反馈控制算法，较为真实的模拟了磁流变阻尼器在浮置板下的工作过程。　　(3)在非线性与随机性均较强的轮轨耦合振动系统中，综合考虑轮轨安全性和地铁减振性两个方面，建议采用地棚控制策略来对浮置板轨道的垂向振动进行控制。对于一般减振要求的地段，磁流变阻尼力取为6kN左右较为合理，而对于减振要求较高的地段，可适当增大磁流变阻尼力，但以不超过12kN为宜。为防止钢轨和浮置板在垂向振动过程中发生“高频震颤”，在本文计算条件下建议磁流变阻尼器触发阈值设置为0.5mm左右。响应时滞与轨道不平顺状态紧密相关，在本文中考虑了轨道短波不平顺的条件下，建议磁流变阻尼器的响应时滞设计为0.15s。在地棚控制策略下，由于磁流变阻尼能显著抑制钢轨和浮置板的垂向振动位移，因此在当前计算条件下钢弹簧刚度还有20％左右的降低空间，使得浮置板支点反力在1Hz～20Hz范围内平均可减小4.9％，从而有利于进一步提高浮置板轨道的低频减振效果。　　(4)基于隧道-土层瞬态分析有限元模型的理论仿真分析可知，在距离线路中心线40m～60m范围内，地铁列车运行过程中地面土体竖向振动加速度存在局部放大现象，该现象与振动波在地铁沿线地层结构中的反射、折射以及透射是紧密相关的。当与线路中心线距离在80m以上时，地面竖向振动加速度又出现降低的趋势，其原因是振动波在土体中传播时存在阻尼衰减和辐射衰减。在地铁隧道沿线地质条件一定的情况下，地面土体的振动衰减速率与振动频率和传播距离关系密切，即高频振动在土层中随着传播距离的增加衰减较快，而低频振动在土层中随着传播距离的增加衰减较慢，因此低频振动传播距离远且影响范围广。在此研究基础上，通过对磁流变阻尼半主动减振浮置板轨道应用前后的地面振动进行理论预测可知，相比于传统钢弹簧浮置板轨道，在0～80Hz范围内磁流变阻尼半主动减振浮置板轨道能不同程度地提高地铁沿线的减振效果。其中，对于0～20Hz范围内地铁沿线的地面土体竖向振动减振效果最为显著。在该频段内，磁流变阻尼力越大地面振动的衰减越明显，当磁流变阻尼力取为12kN时的最大衰减量可达8.7 dB。隧道埋深在10m～20m范围内变化对磁流变阻尼半主动减振浮置板轨道的地面振动控制效果几乎没有影响。
作者：	赵东锋
专业：	地质工程
导师：	王鹰;王平
授予学位：	硕士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文