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原文传递基于车-轨-隧耦合的地下铁路引起环境振动分析

论文题名：	基于车-轨-隧耦合的地下铁路引起环境振动分析
关键词：	显式积分法;Newmark迭代法;耦合振动;全过程迭代法;Z振级
摘要：	随着城镇化水平不断提高，以地下铁路为主要形式的轨道交通是有效解决城市道路交通拥堵的方法。然而地下铁路行驶过程中产生的振动经轨道、隧道、土体传播到地面引起环境振动，影响人们的正常生活和工作。本文将在结合国内外学者研究的基础上，对地下铁路引起环境振动的影响因素进行分析。将运用车辆-轨道耦合动力学为环境振动分析提供激励源，提出改进全过程迭代法求解车辆-轨道-隧道耦合系统，分析不同因素对地下铁路引起环境振动的影响。具体研究内容如下：　　在车辆-轨道耦合动力学基础上，提出适用车辆-轨道-隧道耦合的轨道有限单元。建立车辆、轨道动力学微分方程，两者之间通过赫兹非线性接触进行耦合。在求解过程中提出以新型显式积分法作为积分时间步内的预测力，再结合Newmark法、迭代过程和松弛因子的预测-松弛迭代法。对预测-松弛迭代法计算结果与文献结果进行对比验证合理性和有效性，对积分步长、松弛因子的选择进行分析。结果表明，松弛因子能保持预测-松弛迭代法的数值稳定性，预测-松弛迭代法的最大积分步长为0.0005s对应松弛因子为0.1的结论。　　将车辆-轨道耦合动力学模型作为激励源，建立车辆-轨道-隧道耦合振动系统。将整体系统分成车辆-轨道、隧道两个子模型，子模型之间通过位移协调和力的平衡作为耦合关系。使用改进全过程迭代法对两个子模型进行迭代求解。基于改进全过程迭代法的特点，使用商业有限元软件对隧道建模，实现车辆-轨道子模型和隧道子模型之间的数据交互。对比文献计算结果验证车辆-轨道-隧道耦合振动系统的合理性和有效性，对车辆-轨道系统在耦合隧道和未耦合隧道的两种情况下的响应进行对比，并分析迭代过程中振动响应峰值的变化规律。结果表明，在耦合隧道后能考虑隧道振动对车辆和轨道位移的影响，但车辆和轨道的速度和加速度在两种情况下的趋势基本一致，结合文献全过程迭代法在车轨桥耦合和车轨隧耦合的计算中可以满足收敛。　　基于车辆-轨道-隧道耦合振动系统，选取钢轨扣件刚度、钢轨扣件阻尼、隧道埋深作为研究对环境振动的三个因素，选取振源上方地面作为加速度的拾取点，借助Z振级作为环境振动评价指标。首先进行单因素分析确定各个因素自身改变对环境振动的影响，最后利用正交试验法进行多因素分析确定三个影响因素对环境振动影响的显著性。结果表明，对环境振动影响的显著性从大到小的排序为：隧道埋深、钢轨扣件阻尼、钢轨扣件刚度。其中环境振动随着隧道埋深和钢轨扣件阻尼的增大而减少，而对于钢轨扣件刚度在40kN/mm至60kN/mm时环境振动随刚度的变大而减少，在60kN/mm至90kN/mm时环境振动随刚度变大而增大。
作者：	陈鸿生
专业：	建筑与土木工程
导师：	雷卫东
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2021