地铁列车运行诱发沿线精密仪器低频振动预测及控制研究

作     者：彭淞 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈兆玮

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：精密仪器 车辆-轨道耦合动力学 低频振动 隔振措施 

摘      要：为响应“交通强国的战略规划,近年来城市轨道交通在众多城市中得到大力发展。但由于城市土地资源的紧缺,某些建筑和地铁线路位置规划存在缺陷,导致隧道与建筑距离过近,因此地铁运行所诱发的环境振动问题不可避免。无论是隧道线路、地面线路还是高架线路,在轨道不平顺等不利因素影响下,轮轨间动态作用并产生剧烈激扰,最终以振动波的形式传至临线建筑并致使建筑低频振动,进而影响到地铁沿线建筑中用于试验的精密设备。国际标准“敏感设备的一般振动准则中指出,普通电子显微镜与大多数精密仪器正常运作时,振动速度均方根不能超过6μm/s。对于极其敏感的设备如纳米级显微镜,速度均方根限值仅为3μm/s。因此,为减小列车运行对建筑和精密仪器的不利影响,本文提出了预测方法,构建了预测模型,对比研究了多种隔振方案的隔振特性,为工程实际提供一定数据支撑与参考。 首先,提出了地铁车致精密仪器低频振动研究方法。第一步,基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立10自由度列车-轨道垂向耦合模型。模型中包含列车、整体道床轨道两个子模型,其中列车模拟为由弹性悬挂元件连接起来的多刚体系统,钢轨模拟为离散支撑的欧拉梁,扣件模拟为线弹性弹簧-阻尼元件。基于赫兹非线性弹性接触理论,考虑短波不平顺引起的轮轨中高频振动,轮对与钢轨互相耦合作用。第二步,基于有限元方法,提出了关于计算结果精确度的关键建模原则,如单元类型选择、网格尺寸确定、结构间耦合方式与人工边界的建立。最后,根据实际地铁线路参数、地质参数与建筑参数,计算出扣件力并在ANSYS平台中具体化整体道床-隧道-土体-建筑-精密仪器动力学模型,将扣件力作为移动载荷加载于道床上,实现两个模型的交互。 其次,开展振动测试。在地铁运行区域上方的土地表层等距设置测点,为保证测试数据可靠性总共测试10趟列车驶过的振动数据。测试结果表明隧道中心线正上方振动响应最大,振级达到78.4 d B。土体表面的振动加速度峰值和分频振级随与振源的距离的增大而呈线性趋势衰减。通过测试结果和计算结果的对比,产生的误差在可接受范围内,验证了模型的可靠性。 最后,以建筑楼板和精密仪器作为分析目标,分频振级（VL）、最大Z振级(VLzmax)和速度均方根（RMS）作为评判指标,评估地铁运行对建筑物和敏感仪器的不利影响。对比研究振源隔振（钢弹簧浮置板轨道、橡胶弹簧浮置板轨道）、传播途径隔振（空沟、填充沟）、受振体隔振（碟形弹簧-橡胶支座）和组合隔振几种方案的隔振特性。研究表明,采用不同方案时,建筑楼板和精密仪器振动衰减量和衰减频段有所差异。因为浮置板轨道隔振性能的优越性,VL最大衰减量达到14.5 d B。填充沟中的填充材料虽然增强了沟壑结构稳定性,但部分振动波通过填充材料传至地表,导致空沟阻波效果略优于填充沟。碟形弹簧-橡胶支座的采用能使精密仪器达到VC-E等级,但此方法对建筑隔振无效。相较于单一方案,在组合隔振方案下可以将建筑与仪器振动能量降低到更为安全的水平。