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《北京交通大学》 2018年
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城市地铁隧道内弹性长枕轨道动力学行为与减振效果研究

李大成  
【摘要】:随着我国城市轨道交通工程的发展,越来越多的地铁线路会穿越环境振动敏感区域,减振轨道结构的应用不可避免,由此衍生出诸多减振轨道结构。其中弹性长枕便是一种新型减振轨道结构,现已被逐渐应用于城市轨道交通建设中。然而弹性长枕的减振性能及动力学特性尚不明确,相关理论研究相对较少,更缺乏对弹性长枕轨道铺设后的动态性能跟踪测试。本文以北京地铁15号线铺设弹性长枕轨道为研究背景,基于有限元和轮轨耦合动力学理论,结合模态测试和现场动力学测试,对弹性长枕轨道结构动力学特性进行了研究,论文主要工作及结论如下:(1)开展了弹性长枕模态、振动传递测试及地铁隧道内现场动力学测试。模态测试研究了弹性长枕前10阶振型,将有限元计算结果与测试结果对比论证了计算参数及模型的准确性。单轨枕的振动传递测试验证了弹性垫层的减振效果。由弹性长枕轨道振动传递特性分析可知,垫层刚度越小,轨道结构共振频率越低,导纳曲线在高频段峰值越低,越有利于减振。根据现场动态测试,从时域和频域的角度量化了弹性长枕轨道结构的减振效果。在测试条件下,弹性长枕轨道在隧道壁底可减振10.52dB,在隧道壁1.5m处可减振9.6dB。(2)建立了车辆-轨道-隧道-土体空间耦合动力学模型,分别建立普通整体无砟道床、弹性支承块无砟轨道、弹性长枕轨道3种地铁隧道轨道内轨道结构,计算地铁列车以80km/h速度通过时3种轨道结构的动力响应。研究表明,当列车以相同速度通过时,相比于普通整体无砟道床,弹性支承块和弹性长枕轨道的振动明显降低;采用弹性长枕能够更大程度上降低隧道壁的振动加速度,说明弹性长枕在降低地铁振动环境影响方面优于弹性支承块。(3)通过建立的动力学模型,分别研究了弹性垫层刚度、弹性垫层阻尼比、列车运行速度等参数的变化对轨道结构动力学特性的影响。研究表明:随着垫层刚度的减小,轮轨垂向力逐渐增加,钢轨、轨枕动位移逐渐增加,而轮重减载率、脱轨系数、钢轨横向位移变化较小,钢轨和轨枕的振动加速度增加,道床、隧道壁的振动逐渐减小。说明较小的垫层刚度有利于轨道减振效果的发挥。随着弹性垫层阻尼比的增加,轮轨作用力、轨道结构动位移及振动加速度均有所减小,说明较高的阻尼比更有利于弹性长枕轨道减振。各指标随行车速度的增加均有所增加,因此弹性长枕轨道设计应考虑垫层刚度、行车速度等各方面因素的影响。(4)从轮轨作用力、动位移、扣件支反力及结构加速度等角度出发,研究了扣件失效、轨枕空吊、垫层老化等病害对弹性长枕轨道动力学性能的影响。研究表明,扣件失效对车辆动力学行为影响较小,安全系数变化不明显,对相邻3组扣件支反力影响较大,若完全失效,会使相邻扣件支反力增加33.77%,钢轨横、垂向位移分别增加49.18%、164%。同时扣件失效还会增加钢轨、邻近轨枕的振动加速度。失效扣件数量越多,对各指标影响越为明显;垫层老化刚度越大、空吊面积越大、空吊量越大,对轨道结构动位移、各结构振动加速度影响越大。因此应重点关注相关轨道病害,避免病害发生。(5)提出弹性长枕轨道与阻尼钢轨、减振扣件及减振混凝土道床结合减振的新思路,研究减振措施结合对轨道动力响应的影响。研究表明:阻尼钢轨能够大幅降低弹性长枕轨道钢轨及轨枕的振动加速度,对其他动力指标的影响较小;减振扣件刚度越低,减振效果越好,但也会一定程度放大钢轨及轨枕的动位移;减振混凝土道床对隧道壁的减振作用明显,对其他动力指标影响较小,采用减振混凝土道床可降低隧道壁1.5m处振动11.12dB。
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:U231.2

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