城轨交通引起的环境振动研究及轨道谱参数虚拟反演

论文摘要

发展城市轨道交通是解决城市交通问题的有效措施,所产生的振动和噪声形成环境问题,成为发展的“瓶颈”。为了研究发展各种减小环境振动的工程措施,本文围绕振动波在地表土体中传播与衰减的问题,完成了现场测试数据处理与分析、理论分析及数值计算,包括描述列车动荷载的轨道谱及其空间-频率域转换,车辆-轨道路基-大地系统整体模型建立及分析计算,轨道竖向不平顺谱参数的反演等研究,主要取得了以下进展:首先,处理北京城轨13号线的现场实测数据,通过垂直于轨道的直线形和平行于轨道的矩形两个台阵50组共813条记录的时、频域分析研究城市轨道交通引起的环境振动及其衰减规律。结果表明,城轨交通引起的环境振动竖向振动强度远大于水平向的,评价环境振动应以竖向振动为依据。振动高频成分的衰减快,低频振动衰减相对慢些,近轨道处的振动主要受列车产生的高频振动成分控制,远轨道处则主要受地基的自振特征影响。本文提出了新的地面振动级的衰减公式,可供城市轨道交通沿线的地表环境振动评价和减振措施的设计筛选参考使用。然后,研究轮轨接触动力荷载,指出需要分析车辆系统在自重和由轮轨接触面不平顺作用下的振动响应。从随机振动分析的角度入手,在综述激励模型的基础上选用适当的轨道谱作为轮轨接触面不平顺的描述。经空间域-频域转换得到轨道不平顺谱密度函数作为输入,分析了列车-轨道系统的振动问题。再后,采用具有二系悬挂的车辆模型与简单轨道、地基模型组成的车辆-轨道系统模型,采用赫兹非线性弹性接触理论确定轮轨竖向接触力。采用Newmark-β直接积分法,计算了在轨道动力不平顺的时程激励下整个系统的动力响应,得到列车通过时所引起的每个道床块下地基反力。再后,将车辆运行对地面产生的振动作用通过与大地直接接触的道床块下的地基反力时程来表达,把作用于轨道上的列车移动荷载转化成位置固定的竖向振动荷载,形成空间离散分布的系列点振源列阵。采用时、空解耦的显式波动有限元方法,计算了顺序展开的每个道床块下地基反力点振源列阵激励下的地表的竖向振动。算例的结果表明,随着轨道不平顺幅值的增加,响应值也随之增加;列车行使的速度对列车-轨道系统的影响明显,速度增加会加大轮轨接触力,使整个系统的动力响应频率提高;地表环境振动加速度时程波形与实测记录大体上相似,峰值大小接近。经低通滤波后计算的地表振动功率谱的优势频率与观测得到的很接近。最后,将本文发展的轨道谱时程样本生成和详细的车辆-轨道模型动力分析方法结合起来,进一步研究了反演轨道不平顺谱参数的可行性。借助虚拟反演的思路,以计算得到的轨道竖向不平顺谱的功率谱密度函数激励产生的道床块下地基反力时程及其功率谱为目标,采用遗传算法,反演输入的轨道谱的参数。结果表明,可以反演得出相当准确的轨道谱参数值。进一步根据地表振动响应反演轨道谱参数亦应该可行。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 城市轨道交通的主要形式
• 1.3 国内外城轨交通引起环境振动分析研究的现状
• 1.3.1 城轨交通引起环境振动问题
• 1.3.2 环境振动分布特点
• 1.3.3 环境振动数值分析
• 1.4 本文研究课题来源
• 1.5 本文主要研究工作
• 第2章 轨道交通引起的环境振动观测和振动的衰减
• 2.1 引言
• 2.2 台阵布设方案和观测仪器设备
• 2.3 观测数据的初步分析
• 2.3.1 环境振动随距轨道中心线距离的衰减
• 2.3.2 环境振动的衰减规律
• 2.3.3 环境振动频域分析
• 2.3.4 载荷变化对环境振动的影响
• 2.4 本章小结
• 第3章 列车动荷载的描述
• 3.1 引言
• 3.2 车辆－轨道系统激励的表达
• 3.2.1 确定性的激励表达
• 3.2.2 轨道谱
• 3.3 轨道谱的频率域表达和时域样本
• 3.3.1 轨道谱空间域－频率域的转换
• 3.3.2 生成轨道谱的时域样本
• 3.3.3 轨道谱时程样本的生成实例
• 3.4 轮轨接触动力荷载的初步简化计算
• 3.5 本章小结
• 第4章 轨道交通引起的地面振动计算
• 4.1 引言
• 4.2 车辆－轨道系统振动分析
• 4.2.1 车辆竖向振动的微分方程
• 4.2.2 有碴轨道结构的振动方程
• 4.2.3 轮轨接触
• 4.2.4 振动方程的数值积分求解
• 4.2.5 模型验证
• 4.3 车辆－轨道系统分析的一算例
• 4.3.1 基本数据
• 4.3.2 计算结果
• 4.3.3 计算参数对道床块下地基反力的影响
• 4.4 基于格林函数法的地面竖向响应分析
• 4.4.1 单一移动荷载作用下轨道的振动
• 4.4.2 基于Kelvin 地基假设的钢轨振动位移解
• 4.4.3 基于多层黏弹性地基假设的地基振动位移解
• 4.4.4 移动列车荷载作用下地面竖向地基振动
• 4.5 借助有限元法计算地面竖向振动
• 4.5.1 有限元网格划分与荷载施加方式
• 4.5.2 内节点运动方程的显式解耦解
• 4.5.3 边界条件
• 4.5.4 算例和分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 轨道不平顺谱参数的虚拟反演
• 5.1 引言
• 5.2 遗传算法概要与应用
• 5.2.1 遗传算法的基本原理与特点
• 5.2.2 遗传算法的应用设计
• 5.3 以功率谱为目标的轨道谱参数虚拟反演
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历