基于2.5维有限元-边界元模型分析地下列车诱发的大地振动

• 作 者: 刘诗越
• 机 构: 华东交通大学
• 出 处: 华东交通大学
• 发表日期: 2017年期
• 关键词: 有限元法 边界元法 地下列车 大地振动 虚拟激励法 谐波叠加法

本文在总结了大量国内外学者关于地下列车运行时诱发大地振动研究的基础上，采用2.5维有限元-边界元法和虚拟激励法结合的方法，建立了模拟地下列车诱发大地振动的模型。其中，采用2.5维有限元-边界元模拟了轨道-隧道-大地系统，并探讨了全空间和半空间中单位谐荷载作下的隧道-大地系统响应。采用虚拟激励法和谐波叠加的方法完成了车辆荷载和轨道-隧道-大地系统模型的耦合，建立了列车-轨道-隧道-大地模型，采用该对谐波不平顺影响下的轨道响应进行了研究，并分析了随机不平顺下地下列车运行对大地振动的影响，其主要的研究结论总结有如下几点：　　（1）当模拟隧道衬砌的振动响应时，埋深和土质对基于全空间和半空间模拟结果的影响不大，此时可以采取计算量较小的全空间模型进行模拟。　　（2）当模拟隧道周边土体的振动响应时，当埋深较深（深埋情况）、土层强度在中等以上时，采用全空间模型和半空间模型的结果较为一致，此时可以采用全空间模型来进行计算，可以在不失准确性的基础上大大增加计算效率。　　（3）当需要计算大地表面的振动响应时，必须采用半空间模型，因为此时不管在何种埋设、土质下，半空间模型大地表面和全空间模型对应坐标下的响应，都呈现出较大差别。　　（4）轨道不平顺幅值和列车速度对动态轮轨力幅值有着重要的影响，当轨道的不平顺幅值增大时，车轨接触产生的动态轮轨力有着明显增大；同时，列车速度的增加，也使得车轨接触产生的动态轮轨力增加。且两个因素间互有影响，当车速增加时，不平顺幅值的改变对轮轨力幅值改变影响增大；当不平顺幅值增大时，车速对动态轮轨力幅值的影响也会增大。　　（5）在不同频率的输入荷载下，列车-轨道-隧道-大地系统的响应有着显著的不同。频率为40Hz以下的信号输入时，随输入信号的的频率上升，动态轮轨力是增加的，在40Hz处取得最大响应，当超过40Hz时，随输入信号的频率升高，动态轮轨力的幅值逐渐减少。　　（6）整个系统的振动加速度由轨道、隧道、大地逐渐减小。从轨道到基床的减振幅度特别大，这是因为隧道的刚度较大以及扣件良好的减振效果导致的，轨道-隧道-大地系统的振动速度从钢轨到隧道逐渐减小，但隧道和大地表面几乎保持一致。　　（7）轨道随机不平顺对系统各部分的振动加速度、速度和位移都有重要的影响，若只考虑移动轴荷载和确定性轨道谐波不平顺影响，将明显低估系统各部分的振动响应。