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原文传递高速列车运行于无砟轨道引起的地面振动数值模拟

论文题名：	高速列车运行于无砟轨道引起的地面振动数值模拟
关键词：	高速列车;无砟轨道;竖向地面振动;车辆-轨道耦合动力学;有限元方法
摘要：	近年来，中国铁路实现了跨越式的发展，高速铁路也初具规模，由此引发的环境振动势必影响到铁路沿线居民的正常生活。因此有必要开展高速铁路引起的地面振动的研究，掌握其振动特性和传播规律。本文以软土地区高速铁路无砟轨道为例展开研究。在总结了轨道交通引起的环境振动问题研究方法、基本研究内容以及国内外高速铁路引起的环境振动问题的基础上，本文利用车辆轨道耦合理论建立了列车-轨道垂向耦合模型，采用有限元方法利用ANSYS有限元软件建立了路堤-地基二维有限元模型和轨道-路堤-地基三维有限元模型，结合上述模型分别从二维和三维角度进行了研究。　　首先，利用简化的路堤-地基二维有限元模型，研究了0～90Hz范围内简谐载荷作用下的均匀弹性半空间土体和分层土体地面振动衰减规律。结果表明:简谐载荷作用下的均匀弹性半空间土体的竖向地面振动呈波动衰减，频率越高衰减越快，在距离线路一定的范围内地面振动的中高频部分不容忽视;对于分层土体，地面振动随距离衰减的波动更加剧烈，而且存在较为明显的反弹现象。　　接着，在谐响应分析的基础上，利用列车-轨道垂向耦合模型获取沿线路纵向各个位置的路基表面上作用力作用于二维有限元模型中，研究高速列车运行于无砟轨道线路时引起的竖向地面振动加速度的时域、频域特征以及传播规律。利用平面应变问题等效思想，得到作用在有限元模型路基表面的等效载荷，并发现其中高频成分较为突出。仿真结果表明:虽然时域特征与实际差距较大，但是主频在中频范围内，而且与轴距引起的特征频率较为接近;竖向地面振动加速度幅值在近轨道处非常明显，20m以后已很小且衰减缓慢;计权竖向地面振动加速度级的衰减在30m之前较为迅速，30m以后衰减较慢。　　最后，利用列车-轨道垂向耦合模型获取沿线路纵向钢轨扣件载荷，输入到三维有限元模型中，进行高速铁路引起的地面振动规律研究。通过竖向地面振动位移时程曲线发现，至少50m范围内竖向地面振动能够明显反映列车的经过。沿垂直线路方向的振动位移能够较为明显反映土体特性和桩基加固对地面振动的影响。振动速度和加速度是振动位移的一阶、二阶偏导，其中轴距引起频率所在范围20～50Hz的振动特征更加明显。竖向地面振动加速度幅值和计权竖向地面振动加速度级沿垂直线路方向的衰减趋势与二维模型较为接近，但受三维模型尺寸的限制整体偏大，而二维模型结果跟实测更为接近。受轨道不平顺的影响，竖向地面振动位移、速度和加速度沿平行线路方向的变化并不均匀，竖向地面振动加速度幅值和计权竖向地面振动加速度级总体上存在较小差距，在一定程度上可以采用二维模型预测列车以350km/h及以上速度运行于无砟轨道线路引起的地面振动加速度，并用于对人体影响的评价。
作者：	邵鸣和
专业：	车辆工程
导师：	翟婉明
授予学位：	硕士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文