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板式无砟轨道交通引起的环境振动研究

和振兴  
【摘要】: 长期以来我国铁路列车的运行速度比较低,环境振动问题没有引起足够重视,对铁路交通环境振动的研究仅限于在城市铁路交通线附近的现场实测研究和少量的理论探讨,高速条件下和无砟轨道条件下的环境振动问题的研究更是凤毛麟角,远远滞后于当前我国铁路交通的发展。因此,急需建立完善的理论分析方法,搞清铁路交通环境振动的传播规律和影响因素,开发经济有效的环境振动控制措施,为我国铁路交通的跨越式发展提供技术支持。 故在回顾和分析国内外环境振动研究历史和现状的基础上,主要针对路堤线路条件和地铁线路条件下的环境振动,围绕板式无砟轨道,分别用解析方法和数值方法建立了比较完善的环境振动三维分析模型。模型中综合考虑了列车、轨道、地基、隧道、框架结构等因素对环境振动的影响,研究了铁路交通引起的地面和线路附近框架结构的振动特征及振动控制措施的效果。 在轨道和地基动力学方程波数域求解理论的基础上,建立板式轨道交通在移动轴荷载列作用下的地面振动解析分析模型,模型对轨道的阻尼按粘滞阻尼考虑,分层地基模型能反映波在三维弹性介质中的传播,不必考虑计算域边界的影响,具有较宽的计算域。用解析模型分析了轨道结构和地基之间的相互作用关系,探讨了在软土地基中列车运行速度达到地基表面Rayleigh波速时引起的地基共振,讨论了列车的轴重变化对环境振动的影响等。 在车辆—轨道耦合动力学理论的基础上,进一步建立了铁路交通环境振动三维数值计算模型,即车辆—轨道—地基耦合动力学模型。模型中,车辆和轨道部分采用垂向平面模型,对板式无砟轨道用4节点8自由度组合有限单元划分;地基用三维实体有限单元划分;波在计算域边界的透射用粘弹性动力人工边界单元模拟;用Hertz非线性弹性轮轨接触理论建立车辆和轨道之间的耦合关系。该模型可以考虑轮轨之间的非线性作用力、地基的分层特征及计算域中复杂的几何构形,便于模型扩展,计算域的大小不受列车长度的影响。本文通过对该模型扩展得到了路堤线路条件下的列车—轨道—地基—框架结构环境振动分析模型和地铁线路条件下列车—轨道—隧道—地基—框架结构环境振动分析模型。 采用数值方法研究路堤线路条件下动车组通过时引起的环境振动。主要包括:分析地面振动及线路附近框架结构的振动特征;研究无砟轨道动力学参数及隔振沟几何、物理参数对环境振动控制效果的影响。计算表明地面振动按指数规律衰减;提高扣件和板下调整层的弹性,增加轨道板的厚度可以达到降低环境振动的目的;在本文计算条件下,明沟能降低振动约8dB~10dB,其合理深度为5m~7m。 用数值方法研究了地铁线路条件下列车通过时引起的环境振动。主要包括:分析圆形隧道结构周围地基的振动及衰减特征;研究隧道埋深、地基弹性模量、轨道结构型式的影响;对比分析隧道正上方地基表面高层和低层框架结构的振动响应。结果表明,列车通过时传到地面的主要是竖向的低频振动,本文计算条件下,在20m~30m的范围内会出现反弹增大;与低层框架不同,高层框架在中部位置出现振动的最大值;从环境振动的角度讲,隧道埋深大于13m比较合理。上述结果对高速铁路的减振设计提供了必要的参考。


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