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

1、地鐵列車運(yùn)行引起的振動會造成一定的環(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力響應(yīng)，成為一個非常有現(xiàn)實意義的課題。
　　 正在建設(shè)的北京地鐵4號線北京大學(xué)東門站北側(cè)區(qū)間近距離經(jīng)過北京大學(xué)物理實驗室，而此實驗室內(nèi)有大量的精密儀器，所以將來地鐵4號線運(yùn)營引起的振動是否會影響精密儀器的正常工作，備受關(guān)注。本文的主要工作

2、是建立一個地鐵列車運(yùn)行引起的隧道及自由場動力響應(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號線北京大學(xué)東門站北側(cè)區(qū)間的動力響應(yīng)，并探討了浮置板軌道的減振特性，為北京大學(xué)物理實驗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)格劃分限制在一個基本元內(nèi)，先計算出這個基本元的動力響應(yīng)，然后利用Floquet逆變換計算出整個隧道及自由場上的振動響應(yīng)。此模型由于只是在基本元內(nèi)劃分網(wǎng)格，相對于傳統(tǒng)的三維模型，其計算效率大大提高。采用Craig-Bampton子結(jié)構(gòu)法在隧道-自由場動力相互作用系統(tǒng)中加入軌道結(jié)構(gòu)，即軌道-隧道-自由場動力相互作用問題，Craig-Bampton子結(jié)構(gòu)法的優(yōu)點是不必再重新計算自由

4、場的剛度矩陣，提高了計算效率。
　　 (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算。
　　 (3)在頻率-波數(shù)域內(nèi)推導(dǎo)了移動荷載作用下隧道及自由場的動力響應(yīng)解，此解把地鐵列車運(yùn)行引起的動力響應(yīng)問題歸結(jié)到計算頻率-波數(shù)域內(nèi)的傳遞函數(shù)和頻域內(nèi)的移動軸荷載的問題上，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、計算，移動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)物理實驗室內(nèi)外以及北京地鐵1號線東單站至建國門站區(qū)間的現(xiàn)場振動測試，詳細(xì)分析了道路交通振動和地鐵交通振動以及兩者共同作用下的振動響應(yīng)特性。
　　 (5)采用三維周期性有限元-邊界元耦合的數(shù)值模型對北京地鐵1號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)場振動測試對數(shù)值模型的計算進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明此模型具有良好的適用