磁流变阻尼半主动减振浮置板轨道动力响应分析及其地面振动预测

摘要

随着我国城市轨道交通的迅猛发展，由此产生的地面振动问题对人们的生产和生活产生了日益显著的影响。大量的工程实践表明:在振源处采取减振措施是较为经济有效的地面振动控制方法。其中，减振效果最好的钢弹簧浮置板轨道在较宽频范围内能实现振动的有效隔离，但其对于土层中波长较长、穿透能力强的低频振动(＜20Hz)的衰减不甚理想。借鉴磁流变阻尼半主动控制技术在其他工程领域的应用思路，为进一步提高钢弹簧浮置板轨道的低频减振效果提供了一条新的途径。本文首先系统性地分析了地铁车辆-钢弹簧浮置板轨道垂向耦合动力响应特征，确定了钢弹簧浮置板轨道主要设计参数的合理取值。在此基础上，结合磁流变阻尼器的非线性动力特征，建立了地铁车辆-磁流变阻尼半主动减振浮置板轨道垂向耦合模型，并对其进行动力响应分析，确定了浮置板轨道中磁流变阻尼的半主动控制策略及关键设计参数，最后对地铁沿线地面振动的控制效果进行了预测分析。主要研究成果和结论如下:
　　(1)基于地铁车辆-轨道耦合系统的时/频域动力响应分析，提出了钢弹簧浮置板轨道主要参数的设计过程。首先依据根据工程类比来初步确定扣件刚度、浮置板尺寸（主要是厚度与长度）、隔振器刚度及其支承间距。接着，应用地铁车辆-钢弹簧浮置板轨道耦合系统时域瞬态动力分析方法，以钢轨和浮置板垂向振动位移以及轮重减载率的最大允许值为限值，从施工条件和轮轨安全性出发，确定扣件参数、浮置板尺寸、隔振器参数的可调范围。最后，应用地铁车辆-钢弹簧浮置板轨道耦合系统频域稳态动力分析方法，从地铁减振性出发来确定扣件参数、浮置板尺寸以及隔振器参数的合理取值。
　　(2)结合磁流变阻尼器智能可控的行为特征，设计了基于移动时间窗的反馈控制算法，较为真实的模拟了磁流变阻尼器在浮置板下的工作过程。
　　(3)在非线性与随机性均较强的轮轨耦合振动系统中，综合考虑轮轨安全性和地铁减振性两个方面，建议采用地棚控制策略来对浮置板轨道的垂向振动进行控制。对于一般减振要求的地段，磁流变阻尼力取为6kN左右较为合理，而对于减振要求较高的地段，可适当增大磁流变阻尼力，但以不超过12kN为宜。为防止钢轨和浮置板在垂向振动过程中发生“高频震颤”，在本文计算条件下建议磁流变阻尼器触发阈值设置为0.5mm左右。响应时滞与轨道不平顺状态紧密相关，在本文中考虑了轨道短波不平顺的条件下，建议磁流变阻尼器的响应时滞设计为0.15s。在地棚控制策略下，由于磁流变阻尼能显著抑制钢轨和浮置板的垂向振动位移，因此在当前计算条件下钢弹簧刚度还有20％左右的降低空间，使得浮置板支点反力在1Hz～20Hz范围内平均可减小4.9％，从而有利于进一步提高浮置板轨道的低频减振效果。
　　(4)基于隧道-土层瞬态分析有限元模型的理论仿真分析可知，在距离线路中心线40m～60m范围内，地铁列车运行过程中地面土体竖向振动加速度存在局部放大现象，该现象与振动波在地铁沿线地层结构中的反射、折射以及透射是紧密相关的。当与线路中心线距离在80m以上时，地面竖向振动加速度又出现降低的趋势，其原因是振动波在土体中传播时存在阻尼衰减和辐射衰减。在地铁隧道沿线地质条件一定的情况下，地面土体的振动衰减速率与振动频率和传播距离关系密切，即高频振动在土层中随着传播距离的增加衰减较快，而低频振动在土层中随着传播距离的增加衰减较慢，因此低频振动传播距离远且影响范围广。在此研究基础上，通过对磁流变阻尼半主动减振浮置板轨道应用前后的地面振动进行理论预测可知，相比于传统钢弹簧浮置板轨道，在0～80Hz范围内磁流变阻尼半主动减振浮置板轨道能不同程度地提高地铁沿线的减振效果。其中，对于0～20Hz范围内地铁沿线的地面土体竖向振动减振效果最为显著。在该频段内，磁流变阻尼力越大地面振动的衰减越明显，当磁流变阻尼力取为12kN时的最大衰减量可达8.7 dB。隧道埋深在10m～20m范围内变化对磁流变阻尼半主动减振浮置板轨道的地面振动控制效果几乎没有影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 城市轨道交通地面振动控制的研究现状

1．2．1 振动波在土层中的传播规律

1．2．2 地面振动的数值计算方法

1．2．3 浮置板轨道结构减振措施

1．3 磁流变阻尼器半主动控制技术的应用与研究现状

1．3．1 磁流变阻尼器半主动控制技术的应用现状

1．3．2 磁流变阻尼的非线性动力特征及其力学模型

1．3．3 磁流变阻尼的半主动控制策略

1．4 本文的主要研究内容

第2章 地铁车辆-钢弹簧浮置板轨道垂向耦合动力响应分析

2．1 地铁车辆系统动力学模型

2．1．1 地铁车辆系统物理模型

2．1．2 地铁车辆系统运动方程

2．2 浮置板轨道动力学模型

2．2．1 钢轨物理模型及其振动微分方程

2．2．2 浮置板物理模型及其振动微分方程

2．3 轮轨非线性接触关系及其等效线性接触关系

2．4 轮轨耦合时域与频域求解方法

2．4．1 时域求解方法

2．4．2 频域求解方法

2．5 案例分析

2．5．1 计算参数

2．5．2 计算工况

2．5．3 扣件垂向刚度的影响分析

2．5．4 扣件垂向阻尼的影响分析

2．5．5 浮置板长度的影响分析

2．5．6 浮置板厚度的影响分析

2．5．7 钢弹簧垂向刚度的影响分析

2．5．8 隔振器垂向阻尼的影响分析

2．5．9 浮置板支承间距的影响分析

2．6 本章小结

第3章 地铁车辆-磁流变阻尼半主动减振浮置板轨道垂向耦合模型研究

3．1 单自由度库仑阻尼系统自振特征的理论分析

3．1．1 单自由度无阻尼系统自振特征的理论分析

3．1．2 单自由度粘滞阻尼系统自振特征的理论分析

3．1．3 单自由度库仑阻尼系统自振特征的理论分析

3．2 地铁车辆-磁流变阻尼半主动减振浮置板轨道垂向耦合动力学模型

3．2．1 磁流变阻尼半主动减振浮置板动力学模型

3．2．2 浮置板轨道中磁流变阻尼器反馈控制模拟

3．3 本章小结

第4章 地铁车辆-磁流变阻尼半主动减振浮置板轨道垂向耦合动力响应分析

4．1 计算参数

4．2 计算工况

4．3 磁流变阻尼半主动减振浮置板轨道的关键参数影响分析

4．3．1 经典半主动控制策略的影响分析

4．3．2 磁流变阻尼力大小的影响分析

4．3．3 触发阈值的影响分析

4．3．4 响应时滞的影响分析

4．3．5 浮置板支承刚度的影响分析

4．4 本章小结

第5章 磁流变阻尼半主动减振浮置板轨道的地铁沿线地面振动预测

5．1 瞬态动力学分析方法

5．2 隧道-土层瞬态分析有限元模型

5．2．1 土层的线弹性理论

5．2．2 有限元模型单元类型及其尺寸的选择

5．2．3 土体剪切波长的确定

5．2．4 土体边界的无限元处理

5．2．5 土体阻尼系数的确定

5．2．6 隧道-土层瞬态分析有限元模型

5．3 计算参数简介

5．3．1 隧道结构基本尺寸参数

5．3．2 地质条件及其土层参数

5．4 计算工况

5．5 垂直于线路重心线方向地面振动的控制效果预测

5．5．1 地层结构对地面振动传播规律与衰减特性的影响

5．5．2 磁流变阻尼力大小对地面振动控制效果的影响

5．5．3 隧道埋深大小对地面振动控制效果的影响

5．6 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文及科研成果