地鐵列車運(yùn)行引起的隧道及自由場動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值預(yù)測模型研究.pdf

1、地鐵列車運(yùn)行引起的振動(dòng)會(huì)造成一定的環(huán)境影響，它可能引起鄰近建筑物的開裂，可能干擾精密儀器的正常使用，還可能影響沿線人們的正常生活，因此如何高效準(zhǔn)確地預(yù)測地鐵列車運(yùn)行在隧道、地層和建筑物中引起的動(dòng)力響應(yīng)，成為一個(gè)非常有現(xiàn)實(shí)意義的課題。
　　 正在建設(shè)的北京地鐵4號(hào)線北京大學(xué)東門站北側(cè)區(qū)間近距離經(jīng)過北京大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室，而此實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有大量的精密儀器，所以將來地鐵4號(hào)線運(yùn)營引起的振動(dòng)是否會(huì)影響精密儀器的正常工作，備受關(guān)注。本文的主要工作

2、是建立一個(gè)地鐵列車運(yùn)行引起的隧道及自由場動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)值預(yù)測模型，并利用此模型預(yù)測了北京地鐵4號(hào)線北京大學(xué)東門站北側(cè)區(qū)間的動(dòng)力響應(yīng)，并探討了浮置板軌道的減振特性，為北京大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室精密儀器的減振問題提供了理論支持。本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　 (1)利用隧道-自由場動(dòng)力相互作用系統(tǒng)在隧道軸線方向上的周期性或一致性，提出了一個(gè)在頻率-波數(shù)域內(nèi)的三維周期性有限元-邊界元耦合的數(shù)值模型。此模型利用有限元法模擬隧道結(jié)構(gòu)，利用邊界元法模

3、擬自由場。采用Floquet變換可以把無限長的隧道及自由場的網(wǎng)格劃分限制在一個(gè)基本元內(nèi)，先計(jì)算出這個(gè)基本元的動(dòng)力響應(yīng)，然后利用Floquet逆變換計(jì)算出整個(gè)隧道及自由場上的振動(dòng)響應(yīng)。此模型由于只是在基本元內(nèi)劃分網(wǎng)格，相對(duì)于傳統(tǒng)的三維模型，其計(jì)算效率大大提高。采用Craig-Bampton子結(jié)構(gòu)法在隧道-自由場動(dòng)力相互作用系統(tǒng)中加入軌道結(jié)構(gòu)，即軌道-隧道-自由場動(dòng)力相互作用問題，Craig-Bampton子結(jié)構(gòu)法的優(yōu)點(diǎn)是不必再重新計(jì)算自由

4、場的剛度矩陣，提高了計(jì)算效率。
　　 (2)利用直接剛度法推導(dǎo)了水平成層無限半空間或全空間土體的Green函數(shù)，此Green函數(shù)用于本文建立的三維周期性有限元-邊界元耦合模型中邊界積分方程的計(jì)算。
　　 (3)在頻率-波數(shù)域內(nèi)推導(dǎo)了移動(dòng)荷載作用下隧道及自由場的動(dòng)力響應(yīng)解，此解把地鐵列車運(yùn)行引起的動(dòng)力響應(yīng)問題歸結(jié)到計(jì)算頻率-波數(shù)域內(nèi)的傳遞函數(shù)和頻域內(nèi)的移動(dòng)軸荷載的問題上，傳遞函數(shù)采用三維周期性有限元-邊界元耦合的數(shù)值模型來

5、計(jì)算，移動(dòng)軸荷載主要考慮為頻域內(nèi)軌道不平順情況下的輪軌接觸力。
　　 (4)介紹了北京大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室內(nèi)外以及北京地鐵1號(hào)線東單站至建國門站區(qū)間的現(xiàn)場振動(dòng)測試，詳細(xì)分析了道路交通振動(dòng)和地鐵交通振動(dòng)以及兩者共同作用下的振動(dòng)響應(yīng)特性。
　　 (5)采用三維周期性有限元-邊界元耦合的數(shù)值模型對(duì)北京地鐵1號(hào)線東單站至建國門站區(qū)間隧道和自由場進(jìn)行建模，并利用此區(qū)間的現(xiàn)場振動(dòng)測試對(duì)數(shù)值模型的計(jì)算進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明此模型具有良好的適用