基于無限-周期結(jié)構(gòu)理論的車軌耦合及隧道-地層振動響應(yīng)分析模型研究.pdf

1、城市軌道交通正處于一個高速發(fā)展期，為了順應(yīng)快速到來的城市化進程，各主要大城市均大力發(fā)展新型、快速、高效的城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)體系。同時，地鐵列車運行引起的環(huán)境振動問題也越來越受到人們的關(guān)注，已經(jīng)出現(xiàn)了大量的沿線居民集體投訴的情況，一些精密儀器使用單位及古建筑保護單位也提出了嚴苛的要求。然而，現(xiàn)有關(guān)于列車運行引起環(huán)境振動的理論分析模型在計算效率及分析精度等方面仍存在一定的不足，尚不能很好滿足地鐵規(guī)劃和建設(shè)的需要。因此，建立分析地鐵列車運行引起

2、軌道、隧道及地層振動響應(yīng)的準確、高效理論模型，仍然是一個非常有現(xiàn)實意義的課題。
　　在此背景下，本文依托國家自然科學(xué)基金項目“地下列車運行引起環(huán)境振動預(yù)測模型研究(No.51008017)”和“基于現(xiàn)場脈沖激勵的地鐵列車振動環(huán)境影響預(yù)測模型研究(No.51278043)”，針對地鐵列車運行引起的軌道、隧道及周圍自由場地層的振動響應(yīng)問題，建立了一套基于無限-周期結(jié)構(gòu)理論的完善分析方法。論文對該理論分析方法及其相應(yīng)計算模型進行了深入的

3、研究，并對地鐵常用軌道型式的動力特性進行了探究，主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)將無限-周期結(jié)構(gòu)理論應(yīng)用于軌道結(jié)構(gòu)，在頻域內(nèi)推導(dǎo)了移動諧振荷載作用下普通道床軌道及浮置板軌道動力響應(yīng)的求解方法。該方法最大的特點為:可將無限軌道動力響應(yīng)的求解問題映射于軌道結(jié)構(gòu)的一個基本元內(nèi)進行。
　　(2)將固定荷載視為移動速度為零的移動荷載，推導(dǎo)了固定位置諧振荷載作用下浮置板軌道動力響應(yīng)求解的廣義波數(shù)算法，進而以該算法對浮置板軌道的基本動力特性

4、及軌道各參數(shù)對動力特性的影響進行了細致分析。
　　(3)針對列車-軌道激勵系統(tǒng)，以移動諧振荷載作用下軌道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的求解方法為基礎(chǔ)，利用傳遞矩陣、傅里葉積分變換及坐標變換等方法，采用移動荷載狀態(tài)激振，在頻域內(nèi)建立了基于無限-周期結(jié)構(gòu)理論的車軌動力耦合模型（包括列車-普通道床軌道動力耦合模型及列車-浮置板軌道動力耦合模型兩類）。運用該模型，可以對列車引起環(huán)境振動的振源進行準確高效分析。
　　(4)應(yīng)用基于無限-周期結(jié)構(gòu)理論建

5、立的車軌動力耦合模型對DTVI2扣件軌道、Ⅲ型減振器扣件軌道、預(yù)制短浮置板軌道及現(xiàn)澆長浮置板軌道區(qū)段的車軌耦合系統(tǒng)進行了動力分析及比較，驗證了模型的正確性及適用性，明確了各型軌道在地鐵列車作用下的動力特性。
　　(5)在新型車軌動力耦合模型的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地建立了分析列車運行引起軌下基礎(chǔ)-隧道-地層系統(tǒng)振動響應(yīng)的薄片有限元-無限元耦合模型。該模型以有限單元來描述軌下基礎(chǔ)、隧道及近場地層，以無限單元來描述遠場地層，以提供良好的邊界條

6、件。其最大特點為:只用對地鐵線路的三維軌下基礎(chǔ)-隧道-地層系統(tǒng)的一個縱向薄片范圍（基本元）進行建模，就能對列車引起環(huán)境振動進行分析。因此，該模型在分析地鐵振動環(huán)境影響問題時具有很高的計算效率及很強的計算能力。
　　(6)對由新型車軌動力耦合模型及薄片有限元-無限元耦合模型有機組合成的地鐵列車引起環(huán)境振動理論分析方法進行了總結(jié)，進而應(yīng)用其進行了實際案例分析。計算結(jié)果表明，由于考慮問題全面、對問題各系統(tǒng)均建立了較為符合實際的高效模型，