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原文传递基于无限-周期结构理论的车轨耦合及隧道-地层振动响应分析模型研究

论文题名：	基于无限-周期结构理论的车轨耦合及隧道-地层振动响应分析模型研究
关键词：	地铁列车;运行管理;振动响应;无限-周期结构理论
摘要：	城市轨道交通正处于一个高速发展期，为了顺应快速到来的城市化进程，各主要大城市均大力发展新型、快速、高效的城市轨道交通网络体系。同时，地铁列车运行引起的环境振动问题也越来越受到人们的关注，已经出现了大量的沿线居民集体投诉的情况，一些精密仪器使用单位及古建筑保护单位也提出了严苛的要求。然而，现有关于列车运行引起环境振动的理论分析模型在计算效率及分析精度等方面仍存在一定的不足，尚不能很好满足地铁规划和建设的需要。因此，建立分析地铁列车运行引起轨道、隧道及地层振动响应的准确、高效理论模型，仍然是一个非常有现实意义的课题。　　在此背景下，本文依托国家自然科学基金项目“地下列车运行引起环境振动预测模型研究(No.51008017)”和“基于现场脉冲激励的地铁列车振动环境影响预测模型研究(No.51278043)”，针对地铁列车运行引起的轨道、隧道及周围自由场地层的振动响应问题，建立了一套基于无限-周期结构理论的完善分析方法。论文对该理论分析方法及其相应计算模型进行了深入的研究，并对地铁常用轨道型式的动力特性进行了探究，主要研究内容如下: 　　(1)将无限-周期结构理论应用于轨道结构，在频域内推导了移动谐振荷载作用下普通道床轨道及浮置板轨道动力响应的求解方法。该方法最大的特点为:可将无限轨道动力响应的求解问题映射于轨道结构的一个基本元内进行。　　(2)将固定荷载视为移动速度为零的移动荷载，推导了固定位置谐振荷载作用下浮置板轨道动力响应求解的广义波数算法，进而以该算法对浮置板轨道的基本动力特性及轨道各参数对动力特性的影响进行了细致分析。　　(3)针对列车-轨道激励系统，以移动谐振荷载作用下轨道结构动力响应的求解方法为基础，利用传递矩阵、傅里叶积分变换及坐标变换等方法，采用移动荷载状态激振，在频域内建立了基于无限-周期结构理论的车轨动力耦合模型（包括列车-普通道床轨道动力耦合模型及列车-浮置板轨道动力耦合模型两类）。运用该模型，可以对列车引起环境振动的振源进行准确高效分析。　　(4)应用基于无限-周期结构理论建立的车轨动力耦合模型对DTVI2扣件轨道、Ⅲ型减振器扣件轨道、预制短浮置板轨道及现浇长浮置板轨道区段的车轨耦合系统进行了动力分析及比较，验证了模型的正确性及适用性，明确了各型轨道在地铁列车作用下的动力特性。　　(5)在新型车轨动力耦合模型的基础上，创造性地建立了分析列车运行引起轨下基础-隧道-地层系统振动响应的薄片有限元-无限元耦合模型。该模型以有限单元来描述轨下基础、隧道及近场地层，以无限单元来描述远场地层，以提供良好的边界条件。其最大特点为:只用对地铁线路的三维轨下基础-隧道-地层系统的一个纵向薄片范围（基本元）进行建模，就能对列车引起环境振动进行分析。因此，该模型在分析地铁振动环境影响问题时具有很高的计算效率及很强的计算能力。　　(6)对由新型车轨动力耦合模型及薄片有限元-无限元耦合模型有机组合成的地铁列车引起环境振动理论分析方法进行了总结，进而应用其进行了实际案例分析。计算结果表明，由于考虑问题全面、对问题各系统均建立了较为符合实际的高效模型，此理论分析方法具有较高的分析精度及计算效率。
作者：	马龙祥
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	刘维宁
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文