层状饱和地基-轨道-列车耦合系统轨道不平顺引起的振动分析

采用半解析方法研究了层状饱和地基-轨道-列车耦合系统的动力响应问题。层状饱和地基由任意水平饱和土层和下卧饱和半空间组成,轨道采用以无限长欧拉梁模拟的钢轨、连续质量块模拟的轨枕和Cosserat模型模拟的道砟组成的三层系统,列车模拟为弹簧和阻尼元件连接的多刚体系统。振动输入由钢轨的竖向不平顺提供。通过地基表面轨道中心处竖向位移与道砟位移相等实现层状饱和地基和轨道的耦合,通过在车轮与钢轨间引入Hertizian接触弹簧来实现轨道与列车的耦合,首先求得频率-波数域内解答,然后通过Fourier逆变换求得时间-空间域内振动响应。文中验证了方法的正确性,并进行了数值计算分析,研究表明钢轨不平顺引起的列车动荷载振动频率较低时,随着列车运行速度的增大地基表面位移幅值逐渐增大;振动频率较高时,列车运行速度对位移幅值峰值的影响不明显,但列车驶过后地基的振动明显增大,振动时间变长。     

高速移动列车荷载作用下层状饱和地基-轨道耦合系统的动力响应

基于Biot流体饱和多孔介质理论,求得层状饱和地基表面移动荷载的动力格林函数,进而建立2.5维间接边界元方法,研究了高速移动列车荷载作用下层状饱和地基-轨道耦合系统的动力响应。该文通过与已有结果的比较验证了方法的正确性,并以均匀饱和半空间地基和饱和基岩上单一饱和土层地基为模型进行了数值计算,分析了列车移动速度和饱和土层等对动力响应的影响。研究表明,层状饱和地基和均匀饱和地基对应的动力响应有着显著的差别;列车移动速度接近饱和地基的Rayleigh波速时,会引起饱和地基-轨道耦合系统的共振,产生较大的动力响应;饱和地基不透水情况下动力响应最大,饱和地基透水情况下动力响应次之,干土情况下动力响应最小。另外,饱和土孔隙率、饱和基岩与饱和土层刚度比、饱和土层厚度等也对动力响应具有重要影响。     

轨道随机不平顺影响下高速铁路地基动力分析模型

考虑轨道随机不平顺影响,建立了移动车辆-有砟轨道-路基-层状地基垂向耦合振动解析模型。模型中,将虚拟激励法和解析的波数-频率域法有效结合起来,直接由轨道不平顺的功率谱密度得到准确的动态轮轨力功率谱。将移动列车轴荷载和轨道随机不平顺引起的动态轮轨力考虑为傅里叶级数表示的谐波叠加形式,根据线性系统叠加原理,求得地基动力响应功率谱估计值与时程结果。利用在波数域内直接计算位移频谱、划分合适谐波区间等技术,显著提高了随机振动响应功率谱和时程的计算效率。对比分析了地基表面测点垂向振动加速度时程与频谱的理论计算与现场实测结果,证明了本文模型的合理性。     

高速列车荷载作用下无砟轨道地基竖向耦合动力响应研究

建立高速列车荷载作用下车辆系统-无砟轨道-地基耦合动力模型,通过Fourier变换求解弹性半空间地基土体的动力控制方程,同时根据轨道底座与半空间的接触条件得到了弹性半空间表面竖向位移在频域内的表达式,再采用快速Fourier 变换求得了时域内的土体位移解。结合算例,分析了列车速度、轨道结构参数等因素对地基动力响应的影响。研究结果表明:板下调整层弹簧刚度系数越大,地基土动力响应越大,地表振动越大;底座弯曲刚度越大,地基土动力响应越小;随着列车速度增加,地基土动力响应增大;距离轨道中心处越远,地基土动力响应越小。     

轴荷载作用下铁路交通地面振动的半解析法研究

根据波数域内分层地基波动方程的求解理论，推导铁路有砟轨道、无砟轨道与地基的耦合振动方程，得到了波数域内的统一表达形式。材料阻尼采用粘滞阻尼。利用Fourier变换，在频率。波数域内求解振动微分方程，再通过Fourier逆变换得到大地表面的振动响应。分析了轨道和地基之间的能量传递特征，简谐荷载对振动衰减的影响，并对列车轴荷载引起的地面振动进行了仿真分析。结果表明：铁路有砟轨道和无砟轨道与地基之间的动力作用有较大差别；在简谐荷载作用下，地面振动的衰减曲线出现波动；本文方法具有较大的计算域，可以模拟编组较长的列车通过时引起的地面振动。     

基于FEM和TMM方法的轨道—隧道—土层振动耦合响应分析

针对地铁隧道中日益增多的振动问题,基于FEM(有限元)和TMM(传递矩阵方法)技术,以上海轨道交通四号线为研究背景,探讨在移动荷载作用下轨道-隧道-土层系统的振动响应及荷载传播问题.其中在频率波数域内运用FEM模拟轨道系统响应,运用TM技术模拟土层运动,并将隧道简化为欧拉梁,利用应力应变关系将轨道系统、土层与隧道梁进行耦合.模拟数据与实测数据对比表明,该模型能较好地模拟地铁隧道中振动的传播.基于该理论模型,运用频散曲线对轨道及土层特性进行分析,从理论上讨论轨道系统与土层耦合条件下振动波传播的特殊规律,并以地表位移及土层应力为研究对象,分析不同频率条件下振动响应的差异.     

基于FEM和TM方法的轨道-隧道-土层振动耦合响应分析

针对地铁隧道中日益增多的振动问题,基于FEM(有限元)和TMM(传递矩阵方法)技术,以上海轨道交通四号线为研究背景,探讨在移动荷载作用下轨道-隧道-土层系统的振动响应及荷载传播问题。其中在频率波数域内运用FEM模拟轨道系统响应,运用TM技术模拟土层运动,并将隧道简化为欧拉梁,利用应力应变关系将轨道系统、土层与隧道梁进行耦合。模拟数据与实测数据对比表明,该模型能较好地模拟地铁隧道中振动的传播。基于该理论模型,运用频散曲线对轨道及土层特性进行分析,从理论上讨论轨道系统与土层耦合条件下振动波传播的特殊规律,并以地表位移及土层应力为研究对象,分析不同频率条件下振动响应的差异。     

层状地基中隔振沟对移动列车荷载隔振研究-2.5维IBEM方法

建立层状地基-轨道-隔振沟耦合动力系统,采用2.5维间接边界元方法 (IBEM)研究了层状地基中隔振沟对移动列车荷载下地基振动的隔振问题。采用子结构方法,将系统分解为含隔振沟的层状地基和轨道子结构,采用2.5维IBEM方法求得含隔振沟层状地基在移动均布荷载作用下的层状地基柔度,然后通过地基表面轨道中心点的竖向位移与轨道竖向位移相等将轨道和层状地基耦合。通过与已有结果的比较验证了方法的正确性,并对不同地基、隔振沟参数下的模型进行了算例分析。研究表明:不同地基模型下隔振沟有不同的隔振效果,且隔振沟深度及其与轨道距离均对隔振效果有不同程度的影响。通过对瑞典X2000高速列车在实际软土地基上的隔振计算发现,隔振沟的隔振效果随着沟深的增加而增大,且相对低频区域而言,隔振沟对高频区域的隔振效果更好。     

埋置移动荷载作用下饱和成层地基-梁耦合系统动力响应分析

针对地铁列车运行中引起的地表振动问题,研究了埋置移动荷载作用下饱和成层地基-梁耦合系统的动力响应。将地基土体采用Biot饱和多孔介质理论来模拟,将地下轨道结构简化为埋置无限长Euler-Bernoulli梁,埋置移动荷载作用在梁上。并采用传递透射矩阵法(TRM法)考虑地基的成层性。利用Fourier变换及逆变换,结合梁与土体间的力与位移连续条件,得到了地基在时间空间域内的动力响应解答。当饱和成层地基退化为均质黏弹性地基时,所得解与已有解能很好地吻合。最后,通过数值算例分析了梁的刚度﹑埋置深度及荷载移动速度、频率等因素对地表振动的影响。     

列车移动荷载作用下饱和地基的地面振动特性分析

基于饱和土的Biot波动方程和边界条件,利用Fourier变换和Galerkin法推导出频域内的u-w格式的2.5维有限元方程。把轨道视为饱和地基上的Euler梁,通过沿轨道方向的波数变换将三维空间问题降为平面应变问题。通过解方程首先获得饱和土体频域-波数域的位移解答,然后通过快速Fourier逆变换求得三维时域-空间域内的位移解答。通过计算实例验证了计算模型。建立轨道-地基模型,对饱和地基上列车运行引起的地面振动进行了分析,详细讨论了动力渗透系数、孔隙率、土骨架密度和剪切波速等参数对地面振动传播与衰减的影响规律分析。研究表明;在垂直轨道方向,随着与轨道中心距离增加,加速度幅值和主频迅速衰减;饱和土体动力渗透系数、孔隙率、剪切波速和土骨架密度对地表位移幅值均有较大的影响     

移动谐振荷载作用下浮置板轨道的动力响应

在移动谐振荷载作用下,依据周期结构响应的性质,将无限长浮置板轨道响应的问题求解转化到在一块浮置板长度范围内进行,并通过浮置板的位移影响矩阵在频域内实现了钢轨和不连续浮置板的耦合,求得了该范围内钢轨的动力响应,进而以此为基础求得了轨道结构上任意一点的动力响应。结果表明:移动谐振荷载作用下,在移动荷载自身激振频率附近,浮置板轨道位移响应频谱达到峰值;随着移动谐振荷载速度的增大,在频谱上,荷载自身激振频率附近很窄的频段位移响应会有所下降,而在其他大部分频段位移响应会有显著增加;当谐振荷载激振频率与浮置板轨道的固有频率一致时,发生共振现象,在频谱上位移响应的峰值远远大于其他激振频率时响应的峰值;浮置板轨道在移动荷载作用下,存在由荷载周期通过不连续浮置板和扣件而引发的参数激励;当移动谐振荷载激振频率接近有限长浮置板形成驻波的频率时,轨道结构也会产生较大的位移响应。     

埋置点源简谐荷载作用下Gibson土体动力Green函数

采用Hankel积分变换方法,研究了Gibson地基在内源简谐荷载作用下的动力响应问题;通过构造积分围道技术,利用对围道上奇点的特殊处理,以消除驻波相来满足实际波的辐射条件,得到了Gibson地基埋置点源简谐荷载的动力Green函数。通过具体算例,分析了地基土体非均质性、荷载埋置深度和激振频率等因素对地基土体表面竖向位移的影响。结果显示:(1)荷载埋置深度和荷载激振频率对地基表面位移幅值大小和波动性都影响较大;(2)低频荷载作用下,地基土体的非均质性对其表面位移有较大影响。     

地铁列车运行引起的隧道和自由场的动力响应预测

针对地铁列车运行引起的隧道和自由场动力响应的预测,提出一种计算方法。根据移动荷载作用下隧道及自由场的动力响应解,可以把地铁列车运行引起的振动问题归结到计算频率-波数域内的传递函数和频域内移动轴荷载的问题上,传递函数采用三维周期性有限元-边界元耦合的数值模型来计算,移动轴荷载主要考虑为频域内轨道不平顺激励下的轮轨接触力。利用此方法对北京地铁4号线北京大学东门站北侧区间地铁列车运行引起的隧道和自由场的振动响应进行了预测,并比较了普通无碴轨道和钢弹簧浮置板轨道的动力响应。结果表明:此方法具有很好的适用性;浮置板轨道具有很好的减振作用,但对低频段振动没有效果。     

地下列车移动荷载作用下隧道及自由场的动力响应解

针对地下列车运行引起的隧道和自由场上的振动响应问题,利用隧道-自由场动态相互作用系统在隧道轴线方向上的一致性或周期性,采用Fourier变换和Floquet变换等方法,在频率-波数域内推导了在移动荷载作用下隧道及自由场的动力响应解,此解把地下列车运行引起的动力响应问题归结到计算频率-波数域内的传递函数和频域内的移动外荷载的问题上,传递函数采用三维周期性有限元-边界元耦合的数值模型来计算,移动外荷载主要考虑为频域内轨道不平顺情况下的轮轨接触力.利用此动力响应解对北京地铁1号线东单站至建国门站区间的动力响应进行了计算,计算结果表明此方法具有良好的适用性.     

固定谐振荷载作用下曲线轨道动力响应特性研究EI北大核心CSCD

将曲线轨道视为周期性离散支撑结构,根据周期性结构的振动特性,通过引入移动荷载作用下曲线轨道梁的数学模态以及广义波数,得出曲线轨道梁频域响应的级数表达,进而求解固定谐振荷载作用下曲线轨道梁平面外弯扭耦合振动的响应特性。通过计算不同频率固定谐振荷载作用下曲线轨梁的动力响应,可以求得曲线轨梁垂向位移频响特性。对单层离散点支撑轨道模型进行计算分析可知:曲线轨道梁一阶自振频率受扣件支点垂向支撑刚度、垂向支撑阻尼系数、扣件支点间距变化影响较大,扣件支点垂向支撑刚度增加时轨梁一阶自振频率提高,垂向支撑阻尼系数增加时轨梁一阶自振频率略有减少,扣件支点间距减小时轨梁一阶自振频率提高;扣件支点间距对曲线轨梁频响特性具有显著的影响,跨中处一阶pinned-pinned共振峰幅值及支点处反共振峰幅值随支点间距的增加而变大;曲线半径对地铁轨道轨梁垂向位移频响特性几乎没有影响。     

固定谐振荷载作用下曲线轨道动力响应特性研究

将曲线轨道视为周期性离散支撑结构,根据周期性结构的振动特性,通过引入移动荷载作用下曲线轨道梁的数学模态以及广义波数,得出曲线轨道梁频域响应的级数表达,进而求解固定谐振荷载作用下曲线轨道梁平面外弯扭耦合振动的响应特性。通过计算不同频率固定谐振荷载作用下曲线轨梁的动力响应,可以求得曲线轨梁垂向位移频响特性。对单层离散点支撑轨道模型进行计算分析可知:曲线轨道梁一阶自振频率受扣件支点垂向支撑刚度、垂向支撑阻尼系数、扣件支点间距变化影响较大,扣件支点垂向支撑刚度增加时轨梁一阶自振频率提高,垂向支撑阻尼系数增加时轨梁一阶自振频率略有减少,扣件支点间距减小时轨梁一阶自振频率提高;扣件支点间距对曲线轨梁频响特性具有显著的影响,跨中处一阶pinned-pinned共振峰幅值及支点处反共振峰幅值随支点间距的增加而变大;曲线半径对地铁轨道轨梁垂向位移频响特性几乎没有影响。     

移动荷载作用下饱和地基上板式轨道动力分析

采用半解析法研究了列车荷载作用下板式轨道-下卧饱和土体系统的动力响应问题.采用双层弹性Euler梁来模拟板式轨道中的钢轨和轨道板,采用弹簧-阻尼器来模拟轨下垫圈.列车荷载采用一系列移动的点荷载来模拟,下卧土体采用多孔饱和半空间模型,并假定半空间土体表面与轨道板接触面完全透水.利用Fourier变换方法在变换域内求解轨道和土体的控制方程,饱和土体动力响应在时域内的结果通过快速Fourier变换求得.文章中主要研究了轨道板刚度和土体渗透系数对土体位移和加速度响应的影响.研究表明,土体中液相介质的存在会对土体的振动响应产生很大影响,且适当增大轨道板刚度可有效控制高速列车引起的土体动力响应.     

运行列车引起地面振动的理论模型及振动特性分析

根据车辆动力学、轨道动力学及地基土振动Green函数,建立了列车-轨道-地基土相互作用理论分析模型.该模型不仅考虑了车辆自身的振动,而且考虑了由轴重荷载组成的准静态激励力和单一波长轨道不平顺引起的轮轨问动态激励力.列车模型、轨道模型和地基土模型之间分别通过轮对-钢轨之间的Hertz接触和轨枕-地基土的动力平衡关系进行耦合.根据该模型通过-算例对地面的振动特性进行了分析,并通过移动的单位常力荷载和单位简谐荷载作用下的地面振动分析了车速和地基土特性的影响.计算结果表明,运行列车引起的地面振动特性与荷载移动速度和地基土特性紧密相关,列车移动速度线和地基土频散曲线的相交频率是引起地面振动放大的一种共振频率;运行列车存在临界速度,且临界速度接近地基土模型中的最小表面波波速;轮轨接触表面不平顺引起的动激励力振源对地面振动的高频成分产生较大的影响.     

层状TI饱和半空间均布斜线荷载及孔隙水压动力格林函数

基于Biot流体饱和多孔介质模型,采用动力刚度矩阵方法结合傅里叶变换,给出了层状横观各向同性(TI)饱和半空间中均布斜线荷载及孔隙水压的动力格林函数。方法首先将荷载作用层固定,在波数域内求得层内响应和固端反力,进而由刚度矩阵方法求得反加固端反力于整个层状半空间而产生的响应,最后叠加层内解和固端反力解经由傅里叶逆变换求得空间域内解。所给出的层状TI饱和半空间格林函数为建立相应边界元方法进而求解层状TI饱和介质相关波动问题提供了一组完备基本解。通过与已发表的各向同性饱和结果和TI弹性结果进行对比,验证了方法的正确性。进而给出了数值计算结果并进行了参数分析。结果表明:TI饱和介质与各向同性饱和介质对应的动力响应差异显著,且介质的各向异性参数对动力响应有着重要影响。此外,荷载埋深越小,地表位移和孔压波动更剧烈;介质渗透系数起到类似阻尼的作用,减小渗透系数可降低动力响应;随着频率的增大,位移、应力和孔压的波动也更为剧烈。     

深埋圆形隧洞非饱和土-衬砌结构系统的动力特性

采用解析方法在频率域内研究了深埋圆形隧洞非饱和土-衬砌结构系统的动力特性。基于Bishop非饱和土有效应力原理和单相流固结理论,建立了单相流条件下非饱和土的运动方程。通过位移势函数解耦,得到了非饱和土在简谐荷载作用下的动力响应解答。将衬砌结构视为均匀弹性介质,基于弹性理论,得到了简谐荷载作用下圆柱形衬砌结构的稳态形式解答。利用土体与衬砌界面的连续性条件和衬砌结构内边界上的边界条件,确定了表达式的待定系数。在此基础上,考察了饱和度、吸力折减系数、衬砌厚度等参数对非饱和土响应幅值的影响。结果表明:随着衬砌厚度的增加,系统响应幅值逐渐减小;饱和度和吸力折减系数对孔隙水压力幅值的影响较大,而对径向位移和环向应力幅值的影响较小。