板式无砟轨道交通引起的环境振动研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 铁路交通的发展
• 1.1.2 铁路交通环境振动的产生及传播特点
• 1.1.3 铁路交通引起的环境振动问题
• 1.2 铁路交通诱发环境振动的研究现状
• 1.2.1 铁路交通环境振动的激振源模拟
• 1.2.2 采用解析方法对铁路交通环境振动研究
• 1.2.3 采用数值方法对铁路交通环境振动研究
• 1.2.4 铁路交通环境振动试验研究
• 1.3 当前研究中存在的问题
• 1.4 本文的主要研究内容和创新点
• 第2章 振动波在土体中的传播及波动方程的求解
• 2.1 三维波动方程
• 2.2 弹性介质中的振动波
• 2.2.1 纵波（P波）
• 2.2.2 横波（S波）
• 2.2.3 面波
• 2.3 弹性分层地基动力学响应的求解
• 2.3.1 分层地基在频率—波数域内的传递矩阵
• 2.3.2 最底层为弹性半空间时地基的动力柔度矩阵
• 2.3.3 最底层为刚性约束时地基的动力柔度矩阵
• 第3章 移动轴荷载列作用下地面振动的解析法分析
• 3.1 列车移动轴荷载列
• 3.2 轨道的振动方程
• 3.2.1 有砟轨道的振动方程
• 3.2.2 板式无砟轨道的振动方程
• 3.2.3 块式无砟轨道的振动方程
• 3.3 轨道方程的波数域求解及与地基的耦合作用
• 3.3.1 轨道方程的波数域统一形式
• 3.3.2 轨道与地基的耦合作用
• 3.3.3 轨道与地基之间的能量交换
• 3.4 板式无砟轨道引起地面振动的解析方法研究
• 3.4.1 分析模型
• 3.4.2 单位荷载作用下的地面振动
• 3.4.3 列车移动轴荷载列作用下的地面振动
• 3.5 小结
• 第4章 板式轨道引起环境振动的数值计算模型
• 4.1 有限结构划分的基本单元
• 4.1.1 空间梁单元
• 4.1.2 空间八节点实体单元
• 4.1.3 壳单元
• 4.2 有限单元划分尺寸及计算域边界模拟
• 4.2.1 连续介质离散化后的低通效应和频散效应
• 4.2.2 地基有限单元尺寸的确定
• 4.2.3 计算域边界的模拟方法
• 4.3 板式轨道组合有限单元
• 4.3.1 形函数
• 4.3.2 组合单元的刚度矩阵
• 4.3.3 组合单元的阻尼矩阵
• 4.3.4 组合单元的质量矩阵
• 4.3.5 板式无砟轨道动力学方程的建立
• 4.3.6 板式轨道组合单元长度的确定
• 4.4 车辆系统垂向动力模型
• 4.4.1 垂向车辆模型的基本假定
• 4.4.2 车辆系统的垂向动力学方程
• 4.4.3 轮轨耦合关系
• 4.5 车辆—板式轨道—地基耦合振动
• 4.5.1 动力学模型
• 4.5.2 动力学方程的数值积分方法
• 4.5.3 数值积分时间步长的选取
• 4.5.4 例车—板式轨道—地基耦合系统的求解过程
• 4.5.5 列车—板式轨道—地基耦合系统的振动响应
• 4.6 小结
• 第5章 路堤线路板式无砟轨道引起的环境振动特征及控制措施
• 5.1 计算模型及参数
• 5.2 地面振动特征
• 5.2.1 与解析法计算结果的比较
• 5.2.2 两种荷载激励下地面振动响应的比较
• 5.2.3 离线路中心不同位置处的地面振动响应
• 5.2.4 数值计算结果和已有研究成果的比较
• 5.3 路旁框架楼房的振动特征
• 5.4 环境振动控制措施
• 5.4.1 改善轨道结构形式
• 5.4.2 隔振沟减振
• 5.4.3 线路附近框架结构振动的控制
• 5.5 小结
• 第6章 地铁交通引起的环境振动
• 6.1 分析模型及计算参数
• 6.1.1 地铁列车
• 6.1.2 轨道
• 6.1.3 隧道及地基
• 6.1.4 框架结构的振动
• 6.2 整体道床轨道的动力学建模
• 6.3 浮置板式轨道的减振作用
• 6.4 隧道周围地基的振动响应
• 6.4.1 衬砌顶部到地面地基的振动响应特征
• 6.4.2 隧道下方地基的振动响应特征
• 6.4.3 地面振动响应特征
• 6.5 地面框架结构的振动
• 6.6 隧道埋深对环境振动的影响
• 6.7 隧道周围地基弹性模量对地面振动的影响
• 6.8 小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 本论文的主要研究成果
• 7.2 后续研究的建议
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研实践