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原文传递基于解析的车轨耦合模型及地铁对环境的振动影响研究

论文题名：	基于解析的车轨耦合模型及地铁对环境的振动影响研究
关键词：	地铁振动;列车动荷载;车轨耦合解析模型;现场测试;数值模拟;正交试验
摘要：	列车运行会对周边环境产生振动和噪声污染，包括对周边的居住人群、建筑结构物、精密仪器，既有线路，古代建筑群等产生影响，随着地铁网络密集度不断增加，列车振动引起的环境问题成为国内外关注的热点。城轨交通中地铁列车引起的振动，是一个车辆-轨道-隧道-地层的整体系统。其中车辆簧下质量直接影响轮轨接触力，是激发振动的主要振源；隧道结构和地层是振动传播的主要介质。各子系统相互作用、相互耦合，使得地铁列车振动问题异常复杂，必须将理论解析、实地测试和数值模拟有效地结合起来，才能取得良好的结果。　　因此，本文在国家自然科学基金重点项目“城市轨道交通引起的环境振动及防治对策研究(项目编号：50538010)”和“地铁列车运行引起的隧道及自由场动力响应数值预测模型研究(项目编号：50848046)”的支持下，采用理论分析、现场测试和数值模拟等多种研究手段，得到基于解析的车轨耦合模型，并针对北京地铁5号线的地表振动响应测试，采用MIDAS/GTS软件建立三维动力有限元数值模型进行了仿真计算，对比验证计算模型的正确性与可靠性，并分析了列车振动荷载下地表的动力响应规律，进而通过正交试验法进行数值模拟，对地表振动的影响因素进行了大量的参数分析，取得了以下主要研究成果：　　 (1)从理论的角度建立了一个基于解析的车辆-轨道耦合模型系统，该系统考虑整车模型、无限长轨道结构、轨道不平顺、轮轨接触等因素。在车轨耦合的无限长轨道结构中，通过轨枕的周期性，将无穷域时间空间的积分问题转换为“车轨耦合基本单元”频率域分量的叠加问题，得到了轨道结构任意观察点的动力响应的解析解，从而可以获得了任意行车速度、任意车型荷载、任意轨道结构下的列车动荷载计算的通用理论模型；整个求解过程都是在解析推导下完成的，各物理量均用矩阵和向量来表示，并且在波数-频域内进行的，这对分析整个系统结构的动力响应的频率特性提供了很大方便。　　 (2)编制了完善的车轨耦合解析模型软件包TMCVT，通过计算值与实测值的对比，验证了该软件计算结果的正确性。从而可以方便的研究车辆和轨道相互作用的动力问题。　　 (3)以北京地铁5号线宋家庄-刘家窑区段为背景，进行不同线路条件(圆曲线、缓和曲线、直线)，不同扣件型式(DTVI2扣件、Vanguard扣件)的地表振动现场测试，随后通过建立的隧道.地层系统有限元分析模型，从时域、频域以及振动衰减规律多个角度，分析了其地表的振动响应，并与实测资料进行对比，验证了预测模型的可靠和合理性。　　 (4)根据建立的理论模型和有限元模型，采用正交设计的方法，对振动的各影响因素进行参数分析。应用4因素3水平的正交表得到的9种解析荷载，作为激励源作用在隧道-地层动力有限元数值模型上，分析其计算结果，得到地表的振动响应特性及传播规律，研究了不同参数下(轨面埋深，扣件型式，行车速度，隧道型式)对地表振动影响的显著性程度。
作者：	贾颖绚
专业：	城市轨道工程
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：	2009
正文语种：	中文