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原文传递地铁列车-轨道系统的动力耦合及诱发的环境振动

论文题名：	地铁列车-轨道系统的动力耦合及诱发的环境振动
关键词：	地铁诱发;环境振动;有限元分析;动力耦合;土结构相互作用;ANSYS二次开发;人工边界
摘要：	随着城市化进程的不断加快，城市的交通拥堵问题也日趋严重。作为解决大城市交通问题的重要手段，地铁交通设施的建设和发展愈发迅速。与此同时，地铁诱发的环境振动及其减、隔振研究也已成为学术界和工程界研究的热点。本文阐述了国内外关于列车诱发环境振动等领域的研究成果和应用现状，系统地研究了地铁一轨道系统的动力耦合、土一结相互作用以及地铁诱发环境振动的产生机理和传播规律，主要取得了如下几个方面的成果。 1．轨道不平顺是引起列车一轨道系统振动的一个重要原因，在进行列车一轨道系统的非线性动力耦合分析时，合理的轨道不平顺时域随机样本输入对保证动力分析结果的可靠性是十分重要的。本文根据随机理论推导出了轨道不平顺谱的空间域与时间域转化关系，给出了轨道不平顺样本数值模拟方法的基本原理，提出了一种与逆傅氏变换等价的新三角级数模拟方法。计算分析表明，在几种常用模拟方法中，逆傅氏变换法具有更高的计算效率。轨道加速度法和轨道不平顺法是实践中较为常用的两种简化列车荷载模拟方法，该类简化方法假定轮轨之间为理想接触，忽略轮轨间实际存在的非线性接触和碰撞等因素，利用解析方法进行列车荷载求解。本文通过引入轨道不平顺谱和频响函数及快速傅立叶变换算法，改进了以轨道不平顺作为输入的列车荷载模拟有限元模型，加快了荷载样本的模拟速度，提高了列车荷载数值模拟的效率和可靠性。与列车荷载模拟的有限元方法相比，列车简化荷载模型存在一定的误差，不能全面反映列车轴重的移动效应，需控制其应用条件和范围。 2．通过ANSYS的二次开发，建立了多次透射边界和粘弹性边界两种局部人工边界分析模块，利用模型讨论了边界的设置原则。研究了土一结相互作用的简化模拟方法，引入了精度可控的地基阻抗力时域模拟方法一时域滤波器，并利用隧道的时域动力分析结果进行了了隧道地基的阻抗函数模拟，分析结果表明该方法有一定的可靠性。利用ANSYS的二次开发建立了列车一轨道系统的二维有限元分析模块，实现了对列车一轨道系统的动力耦合有限元分析。分析模块的轮轨接触力采用非线性Hertz接触理论解析解处理，通过对轮轨接触点和接触力的动态分析来实现列车一轨道系统的动力耦合有限元分析，而精度可控的多参数地基阻抗模拟方法的引入则提高了轨道与隧道相互作用的模拟精度。此外，为了解决轮轨接触有限元分析耗费计算资源巨大和难以收敛等问题，本文还提出了根据时步长度对轮轨接触常数进行适当折减的方法。对列车一轨道系统的动力耦合有限元分析结果表明，轨道减振措施可以有效降低列车一轨道系统的动力响应；在较低轮轨接触常数下，地基对列车一轨道系统动力反应影响很小。但在较高轮轨接触常数情况下，由于轮轨接触力的增大，地基阻抗力对系统的动力响应有一定的影响(这也说明了时域滤波器方法的有效性)；列车速度和轨道不平顺都对列车一轨道系统的动力响应有一定影响，车速的提高和轨道不平顺的参与都会加重系统的动力响应，但在较高的轮轨接触常数情况下，轨道不平顺的影响并不明显。 3．对某地地铁1号和2号线路沿线地铁诱发地面和建筑物的振动进行了实测和分析，得出了相应的振动规律，并初步讨论了地铁诱发环境振动的影响因素。建立了列车一隧道一建筑物的整体二维有限动力分析模型，对不同工况条件下的地面及建筑物的振动规律进行了研究，得到以下几点结论，即不同土质条件下的地面振动规律大致相同，其中竖向振动是以距隧道中心距离为变量的衰减曲线；而水平振动则呈抛物线性变化，在20-30米范围内水平振动幅值到达了最高点，然后开始曲线衰减；建筑物的存在和远端土质变化都对地面振动规律有一定影响，有可能造成振动局部放大，但隧道埋深和列车速度改变对地面振动规律的影响不大；此外，有限元模型的边界设置对地面振动规律影响很大，尤以软土工况和水平振动情况为甚。在简单边界设置条件下，地面振动衰减出现了局部放大区现象。数值模拟分析还表明，建筑物的竖向振动沿其高度不断增大，但增大趋势逐渐变缓，而水平振动沿其高度的变化则较为复杂。随着建筑物远离隧道，其水平和竖向振动都出现了不同程度的衰减，衰减规律与地面振动的衰减规律有一定的关系，但不同的楼层间存在着一定的差别。列车速度对建筑物的振动有一定影响，但对竖向与水平振动的影响规律有明显的差别，即竖向振动随车速提高而降低，但当车速达到一定程度后降低程度逐渐变缓；车速对不同楼层的水平振动的影响存在较大差别。
作者：	冯军和
专业：	结构工程
导师：	周锡元;闫维明
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京工业大学
学位年度：	2007
正文语种：	中文