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原文传递车辆--轨道耦合条件下的地铁隧道新型减振型轨道结构体系研究

论文题名：	车辆--轨道耦合条件下的地铁隧道新型减振型轨道结构体系研究
关键词：	地铁减振;预制板式无砟轨道;结构体系;层状粘弹性;车辆-轨道耦合
摘要：	随城市化进程的发展，我国正掀起地铁轨道交通建设的高潮。然而，地铁在给人们出行带来便利的同时，也给沿线环境带来了振动、噪声等负面影响。一直以来，有砟轨道作为地铁轨道的主要结构形式，其散体道砟构成的道床可适当降低振动对周边环境造成的影响，但该道床结构易产生局部变形，进而使得轨道不平顺加剧，甚至严重影响线路的安全性。因此，更具结构连续性、平顺性的无砟轨道成为目前地铁轨道的主要结构形式。然而，无砟轨道采用的大刚度混凝土结构在列车长期冲击荷载作用下易出现振动过大的问题。因此对地铁无砟轨道采取相应减振措施或开发合理、经济的新型减振型无砟轨道以克服上述缺点，延长轨道结构使用寿命并改善乘车舒适性，具有重要的经济意义和实用价值。　　本文在分析和了解地铁轨道交通引起环境振动特性及无砟轨道结构既有减振措施的基础上，围绕构建SMA-FRP轨道结构层这一核心，依据层状粘弹性体系力学理论、车辆-轨道耦合动力学原理，采用理论推导、数值计算和模型试验相结合的方法，研究SMA-FRP预制板式无砟轨道这一新型轨道结构的减振性能，以降低地铁列车运营中产生的振动影响。为此开展了如下研究工作: 　　1.基于层状粘弹性体系力学理论，建立了SMA-FRP预制轨道板式无砟轨道五层层状粘弹性理论分析模型，对列车荷载竖向传递机理进行了理论分析，将预制轨道板矩形荷载统一为当量圆荷载，并通过弹性-粘弹性“对应法则”，得到相应的粘弹性理论解。　　2.根据地铁列车的运行特点，推导建立了22个计算自由度的地铁车辆垂向振动方程，根据轮对振动方程反映的轮轨力与位移的关系，由位移相容条件，从轨道几何不平顺条件入手得到车辆-轨道耦合振动的激振力来模拟轮轨力，并提出适合本文研究的轮轨力简化表达式，为后续数值计算奠定理论基础。　　3.基于模态叠加法建立了SMA-FRP预制板式无砟轨道振动方程。视SMA-FRP这一新型轨道结构层为轨道结构的参振子系统，将其考虑为介于“整体钢筋混凝土”与“散体道砟”之间的一种结构，在其微单元体之间引入剪切弹簧和剪切阻尼，从而建立了SMA-FRP轨道结构层的振动方程。　　4.利用有限元程序ABAQUS建立了SMA-FRP预制板式无砟轨道数值计算模型，以竖向加速度和竖向位移为关键力学分析指标，提出了SMA-FRP轨道结构层的最优拓扑结构形式，开展了与现有地铁预制板式无砟轨道的振动特性分析对比研究工作，从而揭示这一新型轨道结构的减振效果。随后，提出了工程适用的SMA-FRP轨道结构中SMA厚度设计建议值，并在此基础上探讨了不同车速下SMA-FRP轨道结构的减振特性变化规律。　　5.从定性研究角度，开展了SMA-FRP轨道结构减振性能缩尺模型试验研究，并通过与数值计算结果的对比分析，验证了SMA-FRP轨道结构的减振效果及本文数值计算模型的可靠性。　　通过上述研究工作，本文主要的创新工作和创新点如下: 　　(1)充分利用SMA、FRP两种材料在刚度、阻尼存在差异的特性，率先提出了构建SMA-FRP轨道结构的减振措施，以实现地铁无砟轨道结构减振的目的。　　(2)利用牛顿-欧拉法推导建立了两刚体系统振动方程，并验证了该振动方程的正确性。在此基础上，结合地铁列车的运行特点，充分考虑其运行中存在的伸缩、横移、浮沉、侧滚、点头、摇头6个自由度的实际状况，在小位移振动条件下，利用牛顿-欧拉法推导建立了22个计算自由度的车辆振动方程。　　(3)建立SMA-FRP轨道结构层振动方程时，将其视为介于“整体钢筋混凝土”与“散体道砟”之间的一种结构，利用有限元思想在SMA-FRP微单元体之间引入剪切弹簧和剪切阻尼来模拟SMA-FRP结构的相互啮合作用，率先提出了SMA-FRP作为轨道结构子系统整体参与车辆—轨道耦合振动的计算方法。　　(4)采用数值分析和模型试验的综合研究方法，揭示了SMA-FRP预制板式无砟轨道结构的减振特性和规律，提出了工程适用的SMA-FRP预制板式无砟轨道结构中SMA设计厚度的建议值。
作者：	刘毅
专业：	土木工程；桥梁与隧道工程
导师：	梁波
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2019