橡胶垫浮置板轨道结构减振性能分析

摘要

随着地铁建设的迅猛发展，地铁运行引起的振动问题，包括对沿线居民、周边建筑物等产生影响，成为国内外研究的焦点。
　　 本文利用理论分析和数值模拟等手段，主要从两个方面对地铁产生的振动问题进行研究，包括振源的产生、振动的传播对周围环境的影响。对青岛地铁三号线橡胶垫浮置板道床结构所引起的振动荷载及地表的瞬态动力响应进行了分析，主要研究内容有:
　　 (1)建立了车轨耦合动力学模型。模型中车辆系统采用10自由度模型，包括车体及两个转向架的上下沉浮和点头运动、四个轮对的沉浮运动。车体、转向架及轮对均视为刚体，钢轨和浮置板简化为弹性离散支承有限长欧拉梁，轮轨接触采用非赫兹接触。
　　 (2)建立了系统的运动微分方程，利用Newmark逐步积分法对方程进行求解，计算得出在美国五级不平顺谱激励下，不同橡胶垫刚度和阻尼下地基反力及轮轨接触力的理论值，得到橡胶垫刚度和阻尼对两者时程及幅频特性的影响:随着橡胶垫刚度的减小，轮轨载荷越来越大，地基反力越来越小;轮轨荷载频率范围变化不大，地基反力的频率范围逐渐减小。橡胶垫阻尼的变化对轮轨荷载及地基反力的时程和幅频影响不大，但阻尼过小时，地基反力出现拍振现象。
　　 (3)建立车体-橡胶垫浮置板轨道相互耦合的有限元模型，利用ANSYS对系统进行模态分析，得出系统的固有频率和固有振型，得到十赫兹以内的模态特性主要反映了车体系统的刚体振动;数十赫兹以上的模态特性主要反映了车轮和钢轨的耦合振动。利用ANSYS对系统进行谐响应分析，给出橡胶垫刚度和阻尼对车体沉浮和地基反力的影响规律:随着橡胶垫刚度的减小，地基反力逐渐变小，车体竖向振动逐渐变大;车体沉浮和地基反力随橡胶垫阻尼的增大而减小，但当阻尼过大时，随着阻尼的增大，地基反力逐渐增大。
　　 (4)结合青岛地铁3号线沿线重点保护地段的地质情况，建立隧道结构-土体的二维有限元模型，利用ANSYS对系统进行瞬态分析，给出橡胶垫浮置板道床刚度和水平距离对地表竖向振动和水平振动的影响规律:随着水平距离的增加，水平振动速度幅值逐渐减小，频率分布变化不大;竖向振动速度幅值逐渐减小，频率分布逐渐变小。铺设橡胶垫后地表水平振动和竖向振动均符合环评要求。且随着橡胶垫刚度的减小，地表水平振动速度和竖向振动Z振级逐渐减小。