摘要
随着城市轨道交通的快速发展，钢轨波磨问题越发严重，由此产生的地铁隧道内结构振动问题愈加严峻。本文以国内某地铁波磨地段为研究对象，对该地段钢轨表面不平顺、轨道-隧道结构振动特性及传播规律进行了测试分析；建立了车辆-轨道耦合动力学模型与轨道-隧道-大地有限元模型，将仿真结果与实测数据进行对比，验证了模型的准确性；利用模型计算分析了不同波磨激励下轨道-隧道结构的振动响应及其传播规律；计算分析了不同速度、不同波深、不同隧道埋深与不同减振结构工况下的结构振动响应，根据计算分析结果得出不同工况的减振效果。本文主要研究工作及成果如下： （1）对直线与曲线典型波磨地段轨道不平顺进行了测试，与钢轨波磨评价标准对比后表明，小半径曲线地段钢轨波磨问题较严重，特征波长分别为200~250mm，125mm与40mm，最大波深达0.8mm；与曲线地段钢轨波磨对比，直线地段钢轨波磨较轻微，其主要为40mm的短波波磨，最大波深约0.08mm。 （2）通过对曲线波磨地段钢轨、道床、隧道壁、地面进行测试可知，钢轨波磨对钢轨、道床、隧道壁、地面结构振动影响较大，其中短波长40mm主要对轨道-隧道结构振动产生影响，当振动由隧道壁传递到地面时，其高频衰减较快，40mm波长造成的主频400Hz对地面影响甚微，影响地面振动主频的波长为200mm-250mm，其对应的通过频率为80Hz左右。 （3）基于车辆-轨道耦合动力学理论，建立了车辆-轨道耦合动力学模型，输入曲线地段实测轨道不平顺激励得出垂向轮轨力。利用有限元ansys软件建立了轨道-隧道-大地模型，输入由多体动力学所得垂向轮轨力计算振源钢轨位移及地面振动加速度，对比分析了仿真数据与实测数据的差异，验证了模型的可靠性。 （4）利用所建车辆-轨道耦合系统动力学模型，分析了不同钢轨波磨对轮轨力的影响；利用所建轨道-隧道-大地有限元模型，分析了不同波磨对轨道-隧道结构振动特性影响及其传播规律的分析。研究表明：曲线波磨地段轮轨动力响应剧烈，其垂向最大轮轨力173468N时超过规范所规定的垂向轮轨力11.6%，直线波磨地段波磨轻微，未出现轮轨力超标现象；曲线波磨地段与直线波磨地段钢轨、轨道板、隧道壁、地面振动差异较大，曲线波磨地段结构振动强烈，导致曲线波磨段与直线波磨段结构振动产生较大差异的主要原因是钢轨波磨的波深不同；振动由钢轨传递到地面的过程中，其高频衰减较快，地面垂向加速度总体变化趋势随距线路中心线距离增加而衰减，但衰减并非随距线路中心线增加而单调减小，而是出现起伏甚至出现局部放大现象。 （5）针对小半径曲线地段结构振动过大问题，计算分析不同列车车速、波磨波深、隧道埋深、减振结构对轨道-隧道结构振动特性及传播规律的影响，对比分析不同工况下结构的减振效果。列车车速从54km/h降低为36km/h时，距线路中心线0m地面Z振级分别为减少量为5.53dB；钢轨波磨波长不变，改变波磨波深，当钢轨波深为0.2mm时，其Z振级为67.28dB，符合混合区、商业中心区70dB规范要求。改变隧道埋深，当隧道埋深为25m地面Z振级67.87dB时符合混合区、商业中心区70dB规范要求，当隧道埋深35m时地面Z振级60.83dB时符合特殊住宅区、居民、文教区65dB规范要求；采用不同的减振结构，只有钢弹簧浮置板能满足符合混合区、商业中心区规范要求，其振级为58.29dB远小于70dB，减振扣件的减振效果有限，钢弹簧浮置板有较好的减振性。
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