基于地铁列车运行引起的振动预测模型的浮置板轨道减振效果研究

针对地铁列车运行引起的隧道及土层振动响应问题提出数值预测模型。该模型根据移动荷载作用下动力响应解,将地铁列车运行引起的振动问题归结为计算频率-波数域内传递函数和频域内移动轴荷载问题。传递函数采用三维周期性有限元-边界元耦合模型计算,移动轴荷载主要考虑为频域内轨道不平顺激励下轮轨接触力。利用上述模型计算北京地铁4号线北京大学东门站北侧区间地铁列车运行引起的振动响应,并结合现场振动实测数据探讨该区间浮置板轨道减振效果。结果表明:模型具有良好适用性,可应用于地铁列车运行引起的振动预测;浮置板轨道是一种有效减振措施,在其工作频段内有明显减振效果,但在低频,浮置板轨道不能起到减振作用。     

基于TMD的钢弹簧浮置板轨道结构改进研究

为提升钢弹簧浮置板轨道低频域制振性能,应用有限元方法建立地铁车辆-钢弹簧浮置板轨道耦合动力学模型,对带凸台的常规钢弹簧浮置板轨道进行结构改进设计。参考某地铁实际线路,基于TMD定点理论以及多自由度系统等价质量识别法,通过对无凸台钢弹簧浮置板轨道进行模态分析和谐响应分析,确定钢弹簧浮置板凸台下减振元件的最优刚度、最优阻尼;然后基于车辆-钢弹簧浮置板轨道耦合动力学模型,研究列车动荷载作用下钢弹簧浮置板轨道改进前后低频域制振效果。结果表明:改进后的钢弹簧浮置板轨道能够有效地抑制轨道板固有频率附近频段的低频振动;合理的TMD参数匹配能够有效地控制列车动荷载下钢弹簧浮置板基频范围内的低频振动及对应频段钢弹簧支反力向周围基础的传递。     

地铁列车与道路车辆运行对环境的振动影响现场测试与分析

为评价地铁列车和道路车辆运行对环境的振动影响,选取北京地铁1号线东单站—建国门站普通无砟轨道区间以及4号线北京大学东门站—圆明园站浮置板轨道区间,在地表布置多个传感器,对地铁列车单独引起的振动、公交车单独引起的振动,以及两者叠加振动进行现场测试,对振动的Z振级和1/3倍频程谱进行分析。结果表明:无论采用非减振的普通无砟轨道还是浮置板轨道,在距离地铁隧道中心线一定范围内,公交车引起的振动对沿线居民影响要强于地铁列车;采用浮置板轨道,可降低地铁列车引起的10Hz以上的地表振动,尤其是4080Hz控制频段内的振动,可在一定程度上减小地铁列车对沿线居民的振动影响。可采用浮置板轨道来减小地铁列车振动对沿线精密仪器的影响,但采用浮置板轨道仍会使得现有环境振动有所增加,其增量是否会影响沿线精密仪器正常使用,需要根据仪器对环境振动的限值而定。     

MTMDs对浮置板轨道结构隔振性能的影响分析

本文建立车辆-浮置板轨道-MTMDs(调谐质量阻尼器)垂向耦合振动频域模型,其中车辆被视为2个转向架双层悬挂的多刚体系统、钢轨被视为离散点支承的无限长Timoshenko梁、浮置板被视为Kirchhoff薄板结构、MTMDs简化为质量-弹簧模型、扣件和板下钢弹簧被视为线性弹簧阻尼单元,通过Matlab软件编制程序计算分析在轨道不平顺作用下MTMDs及MTMDs与基体的质量比对浮置板隔振性能的影响。研究结果表明:在轨道不平顺激励下,针对浮置板轨道固有频率设计的MTMDs能够较有效抑制浮置板结构在固有频率附近的振动放大,同时也能减小扣件系统的力传递率和浮置板垂向振动加速度;MTMDs质量的变化在浮置板固有频率附近产生较大影响,在其他频段几乎不产生影响。在浮置板轨道固有频率附近,随着MTMDs质量的增加,浮置板轨道力传递率峰值、扣件的力传递率峰值以及浮置板垂向加速度功率谱峰值越小,其振动控制率越大。MTMDs总质量与浮置板质量比为0.1时,其在浮置板固有频率附近对浮置板力传递的控制率达到30%以上,已较好抑制浮置板在固有频率附近对振动的放大。     

地铁提速对减振垫浮置板轨道振动特征的影响分析

为研究地铁列车提速对减振垫浮置板轨道的振动特征的影响,对比分析地铁列车行车速度为80 km/h和120 km/h工况下减振垫浮置板轨道时域和频域的实测结果。分析结果表明:行车速度对减振垫浮置板轨道结构垂向位移的影响不大;行车速度为120 km/h的工况下钢轨、浮置板、隧道的振动加速度1/3倍频程的峰值较行车速度为80 km/h的工况下的峰值分别有6.2、2.8、0.5 dB的增大;分频段分析各测点振动加速度综合振级,结果显示:在0~20 Hz与20~80 Hz频段内,只有钢轨的振动加速度综合振级增长超过5%,浮置板与隧道振级变化均小于2.5%,在80~120 km/h速度范围内,行车速度的提高对减振垫浮置板轨道隧道振动的影响并不明显。     

杭州地铁1号线浮置板轨道减振效果对比分析

由于浮置板轨道减振效果较好,在地铁建设中使用比例大幅度增加。结合杭州地铁1号线钢弹簧浮置板和橡胶浮置板的测试结果,对比分析两种浮置板的自振特性、隧道内和地面减振效果。分析结果表明：受不同的轨道结构形式、不同的列车类型、运行速度、隧道结构等诸多因素影响,钢弹簧浮置板和橡胶浮置板轨道有不同的振动频率特性;钢弹簧浮置板竖向自振频率为7.90 Hz,橡胶浮置板竖向自振频率为14.87 Hz,钢弹簧浮置板和橡胶浮置板的高频减振效果高于低频的减振效果;橡胶浮置板对于高于25 Hz的振动有8～16 dB的减振效果;弹簧浮置板对于高于12.5 Hz的振动有8～22 dB的减振效果,钢弹簧浮置板轨道对于控制列车运行产生的环境振动更有效。     

浮置板轨道结构对地铁车辆轨道耦合系统动力性能影响分析

以北京地铁6号线车辆为样本,研究了浮置板轨道对于车辆轨道耦合动力学模型的影响。建模时将浮置板轨道考虑成柔性体,用有限元实体单元建模,并利用模态叠加法进行求解。仿真后得出如下结论:与轨道不平顺引起的冲击相比,采用浮置板轨道后所产生的枕跨冲击、过渡冲击、轨道板冲击并不明显。车辆在浮置板轨道上行驶时,其竖向悬挂系统能够较好地降低轮轨的冲击力;轨道垫板刚度的主要影响是频率在60~150 Hz范围内的振动,对低频振动影响较小。随着轨道垫板刚度的变大,轮轨垂向力和轮重减载率逐渐变大,但其对轮轴横向力和脱轨系数影响很小,对车体振动几乎没有影响。轨道垫板刚度的主要影响是频率在10 Hz左右的轨道板的振动,对浮置板钢弹簧支承力的影响较小,即对路基的减振效果影响较小。     

基于隔振垫超弹性本构模型的橡胶浮置板轨道动力仿真

以地铁橡胶浮置板轨道为研究对象，基于隔振垫超弹性本构建立地铁车辆-橡胶浮置板轨道-隧道耦合动力分析模型，计算橡胶浮置板轨道的动力响应及减振效果。结果表明：隔振垫超弹性本构模型计算的轨道结构及隧道壁动力响应均更接近实测数据；不同隔振垫刚度工况下，超弹性本构模型计算得到的轨道结构位移均小于线弹性本构模型，钢轨和轨道板位移峰值分别相差10%和40%左右；超弹性本构模型计算得到的轨道板加速度峰值较小而基底加速度峰值较大，且随隔振垫刚度增加，2种模型计算的轨道板振动差异减小、基底振动差异显著增大，常用隔振垫静刚度范围（0.019～0.100 N·mm-3）内超弹性本构模型与线弹性本构模型计算的基底加速度峰值之比最大为2.46，而采用线弹性本构模型将低估橡胶浮置板轨道基底振动；超弹性本构模型计算得到的轨道板振动及基底高频振动较小，而基底低频振动较大，传递损失小，而采用线弹性本构模型将高估地铁振动特征频段（50～80 Hz）的减振作用，放大轨道固有频率附近（16～31.5 Hz）振动。     

双圆地铁运营动力响应及隔振研究

研究目的:地铁列车运营引起的周围环境振动研究是近年来的热点课题,如何在贴近实际工程的情况下准确、快速地对地铁隧道及地基的振动变形作出计算预测是研究的关键所在。为研究双圆地铁运营时的动力响应问题及隔振沟的减振效果,本文基于2. 5维有限元法首次建立双圆地铁列车-轨道-地基土分析模型,分析双圆地铁运行荷载下隧道埋设深度、列车行车速度等重要因素对地基及轨道振动的影响,以及空沟、填充沟及波阻板的隔振效果。研究结论:(1)列车运行速度越大、隧道埋深越浅,地表振动强度越大;(2)在隧道隔振措施方面,空沟前振动存在放大的现象,空沟的隔振作用体现在沟后;填充沟、波阻板整体隔振效果较好,增大填充沟深度、宽度以及波阻板厚度可有效提高减振效果;(3)双圆地铁运营时的动力响应及隔振沟减振研究成果可为今后地铁振动预测及隔振措施设计提供参考。     

120 km/h地铁多种减振轨道结构现场测试与分析

为分析隧道内各种减振措施在地铁列车行车速度为120 km/h时的减振效果,以地铁现场测试为依托,在时域和频域内分析3种轨道结构各测试断面在行车速度为120 km/h下的振动特性。结果表明:DZⅢ-1型扣件普通整体道床轨道在各频段内对振动的衰减均有一定效果,隧道壁在低频范围内减振效果较好。梯形轨枕轨道结构轨枕至隧道壁间的振动衰减非常明显,约为50 dB。钢弹簧浮置板对振动的衰减主要在钢轨与浮置板之间完成,为50~80 dB。梯形轨枕轨道和钢弹簧浮置板轨道隧道壁主要响应频段内相对于DZⅢ-1型扣件普通整体道床轨道减振效果分别为22 dB和38 dB。     

地铁车辆以磨耗车轮通过钢弹簧浮置板轨道时的较好平稳性速度

[目的]为使地铁乘客获得较好的乘车体验,探究轨道线路铺设浮置板时车体平稳性较好的通过速度区间。[方法]利用仿真软件建立了地铁车辆-浮置板轨道-路基的动力学模型,分析了标准车轮及磨耗车轮通过地铁有无钢弹簧浮置板轨道时的车体振动状况。对比了不同速度条件下,增设浮置板前后车体垂向平稳性指标时域及频域的变化;对比了车体在浮置板轨道系统下,车体以磨耗车轮与标准车轮通过时,车体的垂向振动加速度等参数时域及频域的变化规律。[结果及结论]不同速度时,浮置板会使列车的平稳性指标增大,相比无浮置板时平均增长了5.8%;横向平稳性指标在速度低于60 km/h时,其对平稳性指标有减小作用。浮置板系统中,磨耗车轮的存在会加剧车体垂向振动,这种现象在列车高速行驶时表现更突出。地铁车辆通过轨道时的垂向振动加速度频率主要集中在低频区段的0～10 Hz,横向振动加速度频率区段主要集中在0～30 Hz。地铁车辆通过存在浮置板路段且速度在48～60 km/h区间时,磨耗车轮的车体垂向平稳性指标在1.8左右,横向平稳性指标在1.1左右,数值均较低,即车体振动及横向运动较小,平稳性较好。     

高速铁路路基-地基系统振动响应分析

推导了有砟轨道-路基-地基系统在轮轨接触点处的柔度矩阵,建立了考虑轨道不平顺的车辆-有砟轨道-路基-层状地基垂向耦合振动解析模型。通过算例分析了单台TGV高速动车引起的路堤本体-地基系统振动,得到路堤本体表面的垂向位移,研究了列车速度、轨道不平顺、基床刚度和路堤土体刚度对路堤本体振动的影响。研究结果表明:路堤本体垂向位移主要由移动列车轴荷载引起;随着列车速度的提高,路堤振动的"波动性"明显增加;基床刚度和路堤土体刚度对路堤振动影响显著,可通过增大基床和路堤土体刚度来减小高速列车引起的路基振动。     

高速列车作用下场地振动的分析方法及特性研究

基于车辆动力学和有限元-无限元结合方法 ,建立高速列车-无砟轨道-路基-场地土动力相互作用三维数值分析模型,提出一种研究高速列车引起周围场地振动的分析方法,计算列车荷载作用下周边地基土的动应力和动位移,与既有文献中的结果对比验证本文方法,分析地基土性状对高速铁路场地振动的影响。该模型利用ABAQUS软件,同时结合FORTRAN、MATLAB程序模拟高速列车在钢轨上的实时运行,考虑轨道不平顺,将无限元作为地基土的边界,与模拟地基土实体的有限单元进行耦合,较好解决了振动波在模型边界的反射问题,为列车、轨道、路基系统动力学和轨道交通环境振动分析提供了新的研究思路和计算方法。     

浮置板轨道二维建模及隔振性能分析

为分析轮对载荷相位差及浮置板弯曲振动模态对轨道隔振性能的影响,利用动柔度法建立二维浮置板轨道频域模型,浮置板简化为自由边界的Kirchhoff薄板,根据力的传递率分析轨道隔振性能。计算结果表明,轮对载荷存在相位差时将激起更多的浮置板弯曲振动模态,从而降低浮置板轨道的隔振性能。采用短浮置板可减少其结构模态数目,提高中频段的轨道隔振性能。当轮对载荷同相位时,可以用一维浮置板轨道模型(梁模型)进行分析计算。     

钢弹簧失能下车辆-浮置板轨道耦合系统动力特性研究

在列车荷载作用下浮置板轨道会发生钢弹簧失能,为研究此问题对车辆-浮置板轨道系统动力特性的影响,基于车辆-轨道动力学理论,建立车辆-浮置板轨道耦合动力学模型,研究不同钢弹簧失能数量、位置、组合形式对车辆-浮置板轨道系统动力响应的影响。结果表明：当钢弹簧失能数量相同时,同一块浮置板的振动响应板中位置大于板端位置;钢弹簧失能1个时,板中位置钢轨、浮置板位移最大值分别比板端位置大0.49 mm和0.22 mm,加速度有效值分别比板端位置大13.34%和21.42%;单侧连续失能钢弹簧数量≥2个时,列车荷载作用下钢轨和浮置板垂向位移最大值均分别超出《浮置板轨道技术规范》规定的限值4 mm和3 mm;车体在频域上的振动响应主要集中在10 Hz内,钢弹簧失能会导致车体振动响应在频域上增大;单侧钢弹簧失能2个比双侧失能2个的钢轨位移最大值、加速度有效值分别增大17.75%、2.22%,比正常状态下钢轨位移、加速度分别增大37.08%,10.84%。钢弹簧失能增加了系统的振动响应,影响减振效果,应注意及时检修。     

地铁橡胶浮置板小半径曲线段钢轨波磨及振动测试分析

为研究小半径曲线段地铁不同轨道结构对钢轨波浪形磨耗(以下简称“钢轨波磨”)的产生与发展的影响，分析了列车通过橡胶浮置板轨道引起的振动特性问题。选取某地铁区段进行波磨测试，其中包括普通整体道床直线段、普通整体轨道曲线段和橡胶浮置板曲线段。此外，以橡胶浮置板区段某一代表断面为例，测试其隧道内的振动情况。研究结果表明：钢轨波磨主要出现在小半径曲线段的内侧钢轨，而其外侧钢轨波磨的产生和发展与轨道结构有着密切的关系；橡胶浮置板轨道的外侧钢轨更容易产生钢轨波磨问题；内侧钢轨先产生波磨，并在继续使用的过程中向外侧钢轨传递；波磨在整体刚度较小的橡胶浮置板轨道内发展速度更快；曲线段外侧钢轨的不平顺等级在所有波长范围内均有明显增大。     

基于ABAQUS软件的二维车辆-轨道耦合模型

针对城市轨道交通轮轨系统特点,基于ABAQUS软件建立了10个自由度的车辆-轨道二维有限元计算模型,实现了考虑短波不平顺轮轨耦合的仿真计算。通过与SIMPACK软件和既有文献所建模型对比,从轮轨力、车厢位移、钢轨位移等方面验证了模型的正确性。选用浮置板轨道作为应用算例,给出了地铁B型车在车速20 m/s下的系统动力响应,并分别进行了时域与频域分析。此外,将轨道不平顺波长划分为5种工况,对轮轨系统的振动响应进行了时域与频域分析,得出了轨道不平顺波长各波段的影响范围。     

地铁常用减振轨道振动特性及减振效果对比研究

对中等减振扣件轨道、梯形轨枕轨道、钢弹簧浮置板轨道、普通整体道床轨道进行环境振动现场实测,对比分析地铁列车通过时不同轨道的钢轨、道床、隧道壁振动加速度(垂向、横向)及钢轨动态变形(垂向、横向).结果表明:4种类型轨道的钢轨振动加速度相差不大;中等减振扣件轨道的道床振动加速度小于普通整体道床轨道,另外2种减振轨道明显大于普通整体道床轨道;钢弹簧浮置板轨道的隧道壁振动加速度明显小于其他轨道;钢弹簧浮置板轨道减振效果最好;中等减振扣件轨道的钢轨动态变形明显大于其他轨道.     

城市轨道交通钢弹簧浮置板轨道动力特性分析

为了实时有效地对钢弹簧浮置板轨道动力性能进行研究,利用ANSYS软件建立了钢弹簧浮置板轨道系统的双层梁动力学模型,通过瞬态分析模拟列车移动荷载通过钢弹簧浮置板轨道时的动力响应。对比分析了列车荷载作用下,轨道系统参数对钢弹簧浮置板动力响应及其隔振效果的影响。该研究可对钢弹簧浮置板轨道结构的设计与施工提供理论参考。     

钢弹簧浮置板轨道与隧道底板相互作用数值模拟

针对城市轨道交通穿越施工引起的轨道结构与隧道底板脱空的现象,采用ANSYS建立钢轨-钢弹簧浮置板道床-隧道底板的相互作用模型。考虑隧道底板变形方式、隧道底板最大变形值、Peck曲线沉降槽宽度、浮置板变形缝等影响因素,通过数值模拟计算轨道结构变形和内力、浮置板与隧道底板的脱空量和脱空范围,得出轨道结构与隧道结构相互作用的一般规律。计算结果表明:浮置板与隧道底板之间连接力弱,隧道底板发生不均匀变形时可能产生脱空;浮置板自身较大的刚度是其与隧道底板产生差异变形的主要原因,钢轨并不能对浮置板产生有效的约束;轨道与隧道结构的差异变形随隧道底板变形值的增大而增大,随沉降槽宽度的增大而减小;模型能够较全面地分析轨道与隧道结构相互作用问题,为计算穿越施工引起的既有轨道结构的变形、内力及其与隧道底板的脱空提供有效方法。