地鐵車輛-軌道-隧道系統(tǒng)振動特性的建模方法對比研究.pdf

1、隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展和城市地鐵線網(wǎng)的加密，城市軌道交通振動帶來的問題日益突出。在地鐵振動的仿真計算方面，二維模型由于具有自由度少、計算代價低等優(yōu)點，從而被廣泛使用，但其也存在部分指標(biāo)計算精度不高、無法體現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)三維空間特性等缺點。而隨著計算機性能的發(fā)展，傳統(tǒng)的二維模型逐漸被精細(xì)化的三維車軌耦合模型所取代。但是在模擬地鐵引起地面結(jié)構(gòu)振動等問題上，在模擬一些大規(guī)模系統(tǒng)動力學(xué)模型時，三維模型由于結(jié)構(gòu)體系過于龐大，所需計算代價過高，

2、求解問題的效率將大大降低。
　　基于以上問題，本文基于地鐵中鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)，針對二維和三維模型的計算精度、參數(shù)取值和車輛荷載模擬方式等問題進(jìn)行了一系列研究，通過現(xiàn)場測試檢驗?zāi)Ｐ偷暮侠硇?，最后根?jù)準(zhǔn)確的三維模擬方法對二維模型的改進(jìn)提出建議。論文主要研究工作如下:
　　(1)利用ABAQUS有限元軟件，分別建立了二維平面振動模型和三維空間耦合分析模型。其中二維模型基于平面應(yīng)變原理，采用平面殼(shell)單元建立，車輛荷載

3、使用經(jīng)驗分析法擬合，建立了二維平面軌道-隧道-土體有限元模型;三維模型基于空間動力有限元、車輛-軌道耦合動力學(xué)理論等，車輛動力學(xué)模型采用彈簧阻尼系統(tǒng)連接的多剛體運動體系進(jìn)行模擬，軌道、隧道及土體采用采用空間實體單元進(jìn)行模擬，基于Hertz接觸理論模擬輪軌接觸關(guān)系，以實測不平順為激勵，采用無限元方法模擬模型的邊界，以降低振動波在邊界處反射帶來的影響，在此基礎(chǔ)上建立了車輛-軌道-隧道-土體空間耦合動力學(xué)模型。針對所建立的二維平面模型及三維空

4、間耦合模型，分別結(jié)合既有文獻(xiàn)及實測數(shù)據(jù)對模型的可靠性進(jìn)行了驗證。
　　(2)利用二維軌道-隧道-土體振動分析模型對地鐵振動特性問題進(jìn)行研究。為了保證計算精度，首先通過研究確認(rèn)了二維平面模型的網(wǎng)格密度和模型尺寸:二維模型選取的網(wǎng)格密度應(yīng)小于1m、模型寬度大于120m、模型深度大于70m。在此基礎(chǔ)上分析了軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)和車輛速度對軌道結(jié)構(gòu)振動特性的影響規(guī)律。
　　(3)利用車輛—軌道—隧道—土體振動分析空間耦合有限元模型對系統(tǒng)振動

5、特性進(jìn)行了研究。首先通過研究確認(rèn)了三維空間模型網(wǎng)格密度和模型尺寸對計算結(jié)果的影響:當(dāng)最大網(wǎng)格密度小于2m、模型寬度大于120m、深度大于70m時，能滿足模型計算精度的要求。在此基礎(chǔ)上分析了軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)和列車速度對系統(tǒng)振動特性的影響規(guī)律。
　　(4)通過開展城市軌道交通地下線軌道結(jié)構(gòu)動力學(xué)測試，研究了行車條件下軌道及隧道的振動特性。動態(tài)測試中主要測量了鋼軌、浮置板、隧道壁垂向加速度和鋼軌、浮置板垂向位移，通過對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行時域頻域分

6、析與統(tǒng)計，得到了行車條件下系統(tǒng)的動力學(xué)響應(yīng)。
　　(5)結(jié)合現(xiàn)場動態(tài)測試結(jié)果針對二維平面模型、三維分離模型、三維耦合模型的仿真結(jié)果進(jìn)行了對比驗證。對于三維分離模型，分別采用基于三維耦合模型計算得到的輪軌力、扣件反力作為激勵，將三維分離模型仿真結(jié)果、三維耦合模型仿真結(jié)果與動態(tài)測試結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明，當(dāng)采用輪軌力荷載作為振源激勵時，“分離”模型與耦合模型計算結(jié)果基本一致;采用扣件作用荷載作為荷載激勵時，加速度在100Hz以內(nèi)的低頻

7、范圍擬合較好，中高頻衰減較大。對于二維模型，當(dāng)采用傳統(tǒng)經(jīng)驗公式得到的輪軌力作為激勵時，在相同參數(shù)條件下，二維模型的計算結(jié)果往往大于三維結(jié)果;通過傳統(tǒng)經(jīng)驗公式計算得到的頻域成分比較單一，與實際情況存在較大差別;當(dāng)以三維耦合模型全程輪軌力仿真結(jié)果、單點輪軌力仿真結(jié)果和扣件反力仿真結(jié)果作為荷載激勵施加到二維模型中時，研究表明，采用以上三種激勵形式得到的振動響應(yīng)較采用傳統(tǒng)輪軌力擬合公式得到的振動響應(yīng)精度有明顯提高，改進(jìn)后的二維模型能夠較好的模擬