本文關(guān)鍵詞：磁流變阻尼半主動(dòng)減振浮置板軌道動(dòng)力響應(yīng)分析及其地面振動(dòng)預(yù)測(cè)

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【摘要】：隨著我國(guó)城市軌道交通的迅猛發(fā)展,由此產(chǎn)生的地面振動(dòng)問(wèn)題對(duì)人們的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生了日益顯著的影響。大量的工程實(shí)踐表明：在振源處采取減振措施是較為經(jīng)濟(jì)有效的地面振動(dòng)控制方法。其中,減振效果最好的鋼彈簧浮置板軌道在較寬頻范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的有效隔離,但其對(duì)于土層中波長(zhǎng)較長(zhǎng)、穿透能力強(qiáng)的低頻振動(dòng)(20Hz)的衰減不甚理想。借鑒磁流變阻尼半主動(dòng)控制技術(shù)在其他工程領(lǐng)域的應(yīng)用思路,為進(jìn)一步提高鋼彈簧浮置板軌道的低頻減振效果提供了一條新的途徑。本文首先系統(tǒng)性地分析了地鐵車(chē)輛-鋼彈簧浮置板軌道垂向耦合動(dòng)力響應(yīng)特征,確定了鋼彈簧浮置板軌道主要設(shè)計(jì)參數(shù)的合理取值。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合磁流變阻尼器的非線性動(dòng)力特征,建立了地鐵車(chē)輛-磁流變阻尼半主動(dòng)減振浮置板軌道垂向耦合模型,并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析,確定了浮置板軌道中磁流變阻尼的半主動(dòng)控制策略及關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù),最后對(duì)地鐵沿線地面振動(dòng)的控制效果進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。主要研究成果和結(jié)論如下：(1)基于地鐵車(chē)輛-軌道耦合系統(tǒng)的時(shí)／頻域動(dòng)力響應(yīng)分析,提出了鋼彈簧浮置板軌道主要參數(shù)的設(shè)計(jì)過(guò)程。首先依據(jù)根據(jù)工程類(lèi)比來(lái)初步確定扣件剛度、浮置板尺寸(主要是厚度與長(zhǎng)度)、隔振器剛度及其支承間距。接著,應(yīng)用地鐵車(chē)輛-鋼彈簧浮置板軌道耦合系統(tǒng)時(shí)域瞬態(tài)動(dòng)力分析方法,以鋼軌和浮置板垂向振動(dòng)位移以及輪重減載率的最大允許值為限值,從施工條件和輪軌安全性出發(fā),確定扣件參數(shù)、浮置板尺寸、隔振器參數(shù)的可調(diào)范圍。最后,應(yīng)用地鐵車(chē)輛-鋼彈簧浮置板軌道耦合系統(tǒng)頻域穩(wěn)態(tài)動(dòng)力分析方法,從地鐵減振性出發(fā)來(lái)確定扣件參數(shù)、浮置板尺寸以及隔振器參數(shù)的合理取值。(2)結(jié)合磁流變阻尼器智能可控的行為特征,設(shè)計(jì)了基于移動(dòng)時(shí)間窗的反饋控制算法,較為真實(shí)的模擬了磁流變阻尼器在浮置板下的工作過(guò)程。(3)在非線性與隨機(jī)性均較強(qiáng)的輪軌耦合振動(dòng)系統(tǒng)中,綜合考慮輪軌安全性和地鐵減振性兩個(gè)方面,建議采用地棚控制策略來(lái)對(duì)浮置板軌道的垂向振動(dòng)進(jìn)行控制。對(duì)于一般減振要求的地段,磁流變阻尼力取為6 kN左右較為合理,而對(duì)于減振要求較高的地段,可適當(dāng)增大磁流變阻尼力,但以不超過(guò)12kN為宜。為防止鋼軌和浮置板在垂向振動(dòng)過(guò)程中發(fā)生“高頻震顫”,在本文計(jì)算條件下建議磁流變阻尼器觸發(fā)閾值設(shè)置為0.5mm左右。響應(yīng)時(shí)滯與軌道不平順狀態(tài)緊密相關(guān),在本文中考慮了軌道短波不平順的條件下,建議磁流變阻尼器的響應(yīng)時(shí)滯設(shè)計(jì)為0.15s。在地棚控制策略下,由于磁流變阻尼能顯著抑制鋼軌和浮置板的垂向振動(dòng)位移,因此在當(dāng)前計(jì)算條件下鋼彈簧剛度還有20%左右的降低空間,使得浮置板支點(diǎn)反力在1Hz～20Hz范圍內(nèi)平均可減小4.9%,從而有利于進(jìn)一步提高浮置板軌道的低頻減振效果。(4)基于隧道-土層瞬態(tài)分析有限元模型的理論仿真分析可知,在距離線路中心線40m-60m范圍內(nèi),地鐵列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中地面土體豎向振動(dòng)加速度存在局部放大現(xiàn)象,該現(xiàn)象與振動(dòng)波在地鐵沿線地層結(jié)構(gòu)中的反射、折射以及透射是緊密相關(guān)的。當(dāng)與線路中心線距離在80m以上時(shí),地面豎向振動(dòng)加速度又出現(xiàn)降低的趨勢(shì),其原因是振動(dòng)波在土體中傳播時(shí)存在阻尼衰減和輻射衰減。在地鐵隧道沿線地質(zhì)條件一定的情況下,地面土體的振動(dòng)衰減速率與振動(dòng)頻率和傳播距離關(guān)系密切,即高頻振動(dòng)在土層中隨著傳播距離的增加衰減較快,而低頻振動(dòng)在土層中隨著傳播距離的增加衰減較慢,因此低頻振動(dòng)傳播距離遠(yuǎn)且影響范圍廣。在此研究基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)磁流變阻尼半主動(dòng)減振浮置板軌道應(yīng)用前后的地面振動(dòng)進(jìn)行理論預(yù)測(cè)可知,相比于傳統(tǒng)鋼彈簧浮置板軌道,在0-80Hz范圍內(nèi)磁流變阻尼半主動(dòng)減振浮置板軌道能不同程度地提高地鐵沿線的減振效果。其中,對(duì)于0-20Hz范圍內(nèi)地鐵沿線的地面土體豎向振動(dòng)減振效果最為顯著。在該頻段內(nèi),磁流變阻尼力越大地面振動(dòng)的衰減越明顯,當(dāng)磁流變阻尼力取為12kN時(shí)的最大衰減量可達(dá)8.7 dB。隧道埋深在10m-20m范圍內(nèi)變化對(duì)磁流變阻尼半主動(dòng)減振浮置板軌道的地面振動(dòng)控制效果幾乎沒(méi)有影響。
【關(guān)鍵詞】：地面振動(dòng) 鋼彈簧浮置板軌道 磁流變阻尼 半主動(dòng)控制 地層結(jié)構(gòu) 減振效果
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：U213.2;TB535.1
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 第1章 緒論14-28
• 1.1 研究背景14-16
• 1.2 城市軌道交通地面振動(dòng)控制的研究現(xiàn)狀16-20
• 1.2.1 振動(dòng)波在土層中的傳播規(guī)律16-17
• 1.2.2 地面振動(dòng)的數(shù)值計(jì)算方法17-18
• 1.2.3 浮置板軌道結(jié)構(gòu)減振措施18-20
• 1.3 磁流變阻尼器半主動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀20-27
• 1.3.1 磁流變阻尼器半主動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀20-22
• 1.3.2 磁流變阻尼的非線性動(dòng)力特征及其力學(xué)模型22-26
• 1.3.3 磁流變阻尼的半主動(dòng)控制策略26-27
• 1.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容27-28
• 第2章 地鐵車(chē)輛-鋼彈簧浮置板軌道垂向耦合動(dòng)力響應(yīng)分析28-64
• 2.1 地鐵車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型28-30
• 2.1.1 地鐵車(chē)輛系統(tǒng)物理模型28
• 2.1.2 地鐵車(chē)輛系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程28-30
• 2.2 浮置板軌道動(dòng)力學(xué)模型30-33
• 2.2.1 鋼軌物理模型及其振動(dòng)微分方程30-32
• 2.2.2 浮置板物理模型及其振動(dòng)微分方程32-33
• 2.3 輪軌非線性接觸關(guān)系及其等效線性接觸關(guān)系33-34
• 2.4 輪軌耦合時(shí)域與頻域求解方法34-37
• 2.4.1 時(shí)域求解方法34-35
• 2.4.2 頻域求解方法35-37
• 2.5 案例分析37-63
• 2.5.1 計(jì)算參數(shù)37-38
• 2.5.2 計(jì)算工況38-39
• 2.5.3 扣件垂向剛度的影響分析39-43
• 2.5.4 扣件垂向阻尼的影響分析43-47
• 2.5.5 浮置板長(zhǎng)度的影響分析47-50
• 2.5.6 浮置板厚度的影響分析50-53
• 2.5.7 鋼彈簧垂向剛度的影響分析53-57
• 2.5.8 隔振器垂向阻尼的影響分析57-60
• 2.5.9 浮置板支承間距的影響分析60-63
• 2.6 本章小結(jié)63-64
• 第3章 地鐵車(chē)輛-磁流變阻尼半主動(dòng)減振浮置板軌道垂向耦合模型研究64-75
• 3.1 單自由度庫(kù)侖阻尼系統(tǒng)自振特征的理論分析64-71
• 3.1.1 單自由度無(wú)阻尼系統(tǒng)自振特征的理論分析64-66
• 3.1.2 單自由度粘滯阻尼系統(tǒng)自振特征的理論分析66-68
• 3.1.3 單自由度庫(kù)侖阻尼系統(tǒng)自振特征的理論分析68-71
• 3.2 地鐵車(chē)輛-磁流變阻尼半主動(dòng)減振浮置板軌道垂向耦合動(dòng)力學(xué)模型71-74
• 3.2.1 磁流變阻尼半主動(dòng)減振浮置板動(dòng)力學(xué)模型71-73
• 3.2.2 浮置板軌道中磁流變阻尼器反饋控制模擬73-74
• 3.3 本章小結(jié)74-75
• 第4章 地鐵車(chē)輛-磁流變阻尼半主動(dòng)減振浮置板軌道垂向耦合動(dòng)力響應(yīng)分析75-109
• 4.1 計(jì)算參數(shù)75-76
• 4.2 計(jì)算工況76-77
• 4.3 磁流變阻尼半主動(dòng)減振浮置板軌道的關(guān)鍵參數(shù)影響分析77-107
• 4.3.1 經(jīng)典半主動(dòng)控制策略的影響分析77-85
• 4.3.2 磁流變阻尼力大小的影響分析85-90
• 4.3.3 觸發(fā)閾值的影響分析90-96
• 4.3.4 響應(yīng)時(shí)滯的影響分析96-103
• 4.3.5 浮置板支承剛度的影響分析103-107
• 4.4 本章小結(jié)107-109
• 第5章 磁流變阻尼半主動(dòng)減振浮置板軌道的地鐵沿線地面振動(dòng)預(yù)測(cè)109-123
• 5.1 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析方法109-110
• 5.2 隧道-土層瞬態(tài)分析有限元模型110-112
• 5.2.1 土層的線彈性理論110
• 5.2.2 有限元模型單元類(lèi)型及其尺寸的選擇110-111
• 5.2.3 土體剪切波長(zhǎng)的確定111
• 5.2.4 土體邊界的無(wú)限元處理111
• 5.2.5 土體阻尼系數(shù)的確定111-112
• 5.2.6 隧道-土層瞬態(tài)分析有限元模型112
• 5.3 計(jì)算參數(shù)簡(jiǎn)介112-114
• 5.3.1 隧道結(jié)構(gòu)基本尺寸參數(shù)113
• 5.3.2 地質(zhì)條件及其土層參數(shù)113-114
• 5.4 計(jì)算工況114-115
• 5.5 垂直于線路中心線方向地面振動(dòng)的控制效果預(yù)測(cè)115-121
• 5.5.1 地層結(jié)構(gòu)對(duì)地面振動(dòng)傳播規(guī)律與衰減特性的影響115-117
• 5.5.2 磁流變阻尼力大小對(duì)地面振動(dòng)控制效果的影響117-119
• 5.5.3 隧道埋深大小對(duì)地面振動(dòng)控制效果的影響119-121
• 5.6 本章小結(jié)121-123
• 第6章 結(jié)論與展望123-126
• 6.1 結(jié)論123-124
• 6.2 展望124-126
• 致謝126-127
• 參考文獻(xiàn)127-133
• 攻讀碩士期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及科研成果133

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：608648