本文關鍵詞：磁流變阻尼半主動減振浮置板軌道動力響應分析及其地面振動預測

  更多相關文章： 地面振動 鋼彈簧浮置板軌道 磁流變阻尼 半主動控制 地層結構 減振效果

【摘要】：隨著我國城市軌道交通的迅猛發(fā)展,由此產(chǎn)生的地面振動問題對人們的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生了日益顯著的影響。大量的工程實踐表明：在振源處采取減振措施是較為經(jīng)濟有效的地面振動控制方法。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)能實現(xiàn)振動的有效隔離,但其對于土層中波長較長、穿透能力強的低頻振動(20Hz)的衰減不甚理想。借鑒磁流變阻尼半主動控制技術在其他工程領域的應用思路,為進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)性地分析了地鐵車輛-鋼彈簧浮置板軌道垂向耦合動力響應特征,確定了鋼彈簧浮置板軌道主要設計參數(shù)的合理取值。在此基礎上,結合磁流變阻尼器的非線性動力特征,建立了地鐵車輛-磁流變阻尼半主動減振浮置板軌道垂向耦合模型,并對其進行動力響應分析,確定了浮置板軌道中磁流變阻尼的半主動控制策略及關鍵設計參數(shù),最后對地鐵沿線地面振動的控制效果進行了預測分析。主要研究成果和結論如下：(1)基于地鐵車輛-軌道耦合系統(tǒng)的時／頻域動力響應分析,提出了鋼彈簧浮置板軌道主要參數(shù)的設計過程。首先依據(jù)根據(jù)工程類比來初步確定扣件剛度、浮置板尺寸(主要是厚度與長度)、隔振器剛度及其支承間距。接著,應用地鐵車輛-鋼彈簧浮置板軌道耦合系統(tǒng)時域瞬態(tài)動力分析方法,以鋼軌和浮置板垂向振動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,應用地鐵車輛-鋼彈簧浮置板軌道耦合系統(tǒng)頻域穩(wěn)態(tài)動力分析方法,從地鐵減振性出發(fā)來確定扣件參數(shù)、浮置板尺寸以及隔振器參數(shù)的合理取值。(2)結合磁流變阻尼器智能可控的行為特征,設計了基于移動時間窗的反饋控制算法,較為真實的模擬了磁流變阻尼器在浮置板下的工作過程。(3)在非線性與隨機性均較強的輪軌耦合振動系統(tǒng)中,綜合考慮輪軌安全性和地鐵減振性兩個方面,建議采用地棚控制策略來對浮置板軌道的垂向振動進行控制。對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,而對于減振要求較高的地段,可適當增大磁流變阻尼力,但以不超過12kN為宜。為防止鋼軌和浮置板在垂向振動過程中發(fā)生“高頻震顫”,在本文計算條件下建議磁流變阻尼器觸發(fā)閾值設置為0.5mm左右。響應時滯與軌道不平順狀態(tài)緊密相關,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時滯設計為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位移,因此在當前計算條件下鋼彈簧剛度還有20%左右的降低空間,使得浮置板支點反力在1Hz～20Hz范圍內(nèi)平均可減小4.9%,從而有利于進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),地鐵列車運行過程中地面土體豎向振動加速度存在局部放大現(xiàn)象,該現(xiàn)象與振動波在地鐵沿線地層結構中的反射、折射以及透射是緊密相關的。當與線路中心線距離在80m以上時,地面豎向振動加速度又出現(xiàn)降低的趨勢,其原因是振動波在土體中傳播時存在阻尼衰減和輻射衰減。在地鐵隧道沿線地質條件一定的情況下,地面土體的振動衰減速率與振動頻率和傳播距離關系密切,即高頻振動在土層中隨著傳播距離的增加衰減較快,而低頻振動在土層中隨著傳播距離的增加衰減較慢,因此低頻振動傳播距離遠且影響范圍廣。在此研究基礎上,通過對磁流變阻尼半主動減振浮置板軌道應用前后的地面振動進行理論預測可知,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,對于0-20Hz范圍內(nèi)地鐵沿線的地面土體豎向振動減振效果最為顯著。在該頻段內(nèi),磁流變阻尼力越大地面振動的衰減越明顯,當磁流變阻尼力取為12kN時的最大衰減量可達8.7 dB。隧道埋深在10m-20m范圍內(nèi)變化對磁流變阻尼半主動減振浮置板軌道的地面振動控制效果幾乎沒有影響。
【關鍵詞】：地面振動 鋼彈簧浮置板軌道 磁流變阻尼 半主動控制 地層結構 減振效果
【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：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控制的研究現(xiàn)狀16-20
• 1.2.1 振動波在土層中的傳播規(guī)律16-17
• 1.2.2 地面振動的數(shù)值計算方法17-18
• 1.2.3 浮置板軌道結構減振措施18-20
• 1.3 磁流變阻尼器半主動控制技術的應用與研究現(xiàn)狀20-27
• 1.3.1 磁流變阻尼器半主動控制技術的應用現(xiàn)狀20-22
• 1.3.2 磁流變阻尼的非線性動力特征及其力學模型22-26
• 1.3.3 磁流變阻尼的半主動控制策略26-27
• 1.4 本文的主要研究內(nèi)容27-28
• 第2章 地鐵車輛-鋼彈簧浮置板軌道垂向耦合動力響應分析28-64
• 2.1 地鐵車輛系統(tǒng)動力學模型28-30
• 2.1.1 地鐵車輛系統(tǒng)物理模型28
• 2.1.2 地鐵車輛系統(tǒng)運動方程28-30
• 2.2 浮置板軌道動力學模型30-33
• 2.2.1 鋼軌物理模型及其振動微分方程30-32
• 2.2.2 浮置板物理模型及其振動微分方程32-33
• 2.3 輪軌非線性接觸關系及其等效線性接觸關系33-34
• 2.4 輪軌耦合時域與頻域求解方法34-37
• 2.4.1 時域求解方法34-35
• 2.4.2 頻域求解方法35-37
• 2.5 案例分析37-63
• 2.5.1 計算參數(shù)37-38
• 2.5.2 計算工況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63-64
• 第3章 地鐵車輛-磁流變阻尼半主動減振浮置板軌道垂向耦合模型研究64-75
• 3.1 單自由度庫侖阻尼系統(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 單自由度庫侖阻尼系統(tǒng)自振特征的理論分析68-71
• 3.2 地鐵車輛-磁流變阻尼半主動減振浮置板軌道垂向耦合動力學模型71-74
• 3.2.1 磁流變阻尼半主動減振浮置板動力學模型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74-75
• 第4章 地鐵車輛-磁流變阻尼半主動減振浮置板軌道垂向耦合動力響應分析75-109
• 4.1 計算參數(shù)75-76
• 4.2 計算工況76-77
• 4.3 磁流變阻尼半主動減振浮置板軌道的關鍵參數(shù)影響分析77-107
• 4.3.1 經(jīng)典半主動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 響應時滯的影響分析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107-109
• 第5章 磁流變阻尼半主動減振浮置板軌道的地鐵沿線地面振動預測109-123
• 5.1 瞬態(tài)動力學分析方法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 有限元模型單元類型及其尺寸的選擇110-111
• 5.2.3 土體剪切波長的確定111
• 5.2.4 土體邊界的無限元處理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 計算參數(shù)簡介112-114
• 5.3.1 隧道結構基本尺寸參數(shù)113
• 5.3.2 地質條件及其土層參數(shù)113-114
• 5.4 計算工況114-115
• 5.5 垂直于線路中心線方向地面振動的控制效果預測115-121
• 5.5.1 地層結構對地面振動傳播規(guī)律與衰減特性的影響115-117
• 5.5.2 磁流變阻尼力大小對地面振動控制效果的影響117-119
• 5.5.3 隧道埋深大小對地面振動控制效果的影響119-121
• 5.6 本章小結121-123
• 第6章 結論與展望123-126
• 6.1 結論123-124
• 6.2 展望124-126
• 致謝126-127
• 參考文獻127-133
• 攻讀碩士期間發(fā)表的學術論文及科研成果133

【參考文獻】

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本文編號：608648