车辆—轨道—桥梁系统的空间耦合振动及其环境振动

【摘要】： 随着城市建设的迅速发展,城市高架轨道交通不断涌现。城市高架轨道交通引起的结构振动以及环境振动问题日益突出,受到学术界和工程界的高度重视。本文系统地研究城市高架轨道交通引起的结构振动的发生机理、在土中的传播特性及其引起邻近建筑物的环境振动效应,对保障城市高架轨道交通的安全运营以及减轻其环境振动影响,具有重要的理论意义和工程价值。主要研究工作和创新成果如下: (1)车辆-轨道-桥梁系统垂向耦合振动分析。建立了车辆-无碴轨道-桥梁系统的垂向随机振动模型,其中车辆采用10自由度模型;钢轨视为无限长欧拉梁,以钢轨下每个混凝土支承块为基元,建立了轨道的单质量(支承块)两层(钢轨-支承块-结构)弹簧的阻尼振动模型;桥梁采用二维梁单元建模;由赫兹非线性弹性接触理论确定轮轨之间垂向作用力。通过车辆、轨道和桥梁之间相互作用力的耦合,建立了车辆-轨道-桥梁系统垂向耦合振动的运动方程。通过Newmark-β数值积分方法求解,得到车辆、轨道和桥梁的垂向随机振动响应。 (2)车辆-轨道-桥梁系统的空间耦合振动分析。建立了车辆-无碴轨道-桥梁系统的空间随机振动模型,其中车辆采用35自由度模型;左右钢轨视为两根欧拉梁,对左右轨下支承块分别建模,弹性扣件、轨下垫层、块下垫层和橡胶套靴都采用弹簧和阻尼单元进行模拟;桥梁视为空间梁单元;考虑轮轨空间接触几何模型以及轮轨法向力和蠕滑力模型。通过车辆、轨道和桥梁之间相互作用力的耦合,建立了车辆-轨道-桥梁系统空间耦合振动的运动方程,并通过新型显示积分方法进行求解,得到车辆、轨道和桥梁的空间随机振动响应。通过对比相同轨道高低不平顺激励下垂向随机振动模型和空间随机振动模型的垂向振动响应计算结果,分析了两种模型的优缺点;还研究了不同的轨道不平顺激励对车辆-轨道-桥梁系统空间耦合振动的影响。 (3)车辆-轨道-桥梁系统空间耦合振动引起的环境振动分析。建立了土体-建筑物的三维有限元模型,其中土体采用空间八节点等参元建模,土体的弹塑性本构关系选用摩尔库仑屈服准则,土体边界采用粘弹性边界;建筑物采用空间梁单元模型。将车辆-轨道-桥梁系统耦合振动产生的桥墩墩底反力作为土体-建筑物三维有限元模型的外部激励,通过数值分析得到环境振动在土体中的传播规律以及对周边建筑物的振动影响。还研究了在桥墩和建筑物之间加设隔振沟的隔振效果。