[01495887]轨道交通诱发场地振动高效预测方法及减振控制关键技术

近些年来,我国轨道交通建设迅猛。截至2020年底,我国高铁里程达到3.8万公里,城市轨道交通里程达到7978公里。轨道交通的快速发展极大促进了沿线地区经济的发展,便利了人们的工作和生活。然而列车运行引起的场地振动问题也愈显突出,影响到附近精密仪器、设备和建筑物,给人们生活和工作环境带来不容忽视的干扰。因此,本项目针对轨道交通诱发的场地振动建立高效的预测方法和经济可行减振控制技术,在国家自然科学基金、山东省自然科学基金和天津市自然科学基金等的资助下,团队历经10余年的长期研究,取得主要的技术创新和性能指标如下： 1. 高速移动荷载下场地动力响应的精确求解方法 1)建立了层状场地整体精确动力刚度矩阵,并将刚度矩阵拓展到了横观各向同性和饱和多孔介质情况,形成了精确高效求解层状场地弹性波传播问题的“直接刚度法”;2)基于层状场地精确动力刚度矩阵,提出了移动集中荷载作用下层状场地动力响应的频率波数域方法（FK）,为揭示地基土的层状特性和饱和特性等对场地动力响应的影响机理提供了一种高效求解方法;3)推导出了层状场地中埋置均布斜线荷载动力格林影响函数,为建立求解层状半无限介质（含横观各向同性介质和饱和多孔介质）弹性波散射的2.5维边界型方法提供了一组完备基本解。 1)项目建立的“直接刚度法”,相较现有的“传递矩阵法”具有不存在误差积累的优点,且相较现有的“薄层法”具有不受层厚限制的优点;2)项目建立的高速移动荷载下层状场地动力响应的半解析求解方法基于频率波数域积分求解,具有适用不用荷载移动速度的优点（低音速、跨音速、超音速）,且显著降低积分求解耗时,实现了“超音速”工况的分钟内求解;3)项目建立的移动均布斜线荷载动力格林函数,对于弹性介质包含三个坐标方向荷载,对于饱和介质还包含孔隙水压,为弹性介质和饱和多孔介质2.5维边界型方法建立提供了完备基本解。 2. 轨道交通诱发场地振动的高精度快速预测技术 1)以弹簧和阻尼元件连接的多刚体系统模拟车辆,以无限长欧拉梁模拟的钢轨、连续质量块模拟的轨枕和Cosserat模型模拟的道砟组成的三层系统模拟轨道系统,建立场地-轨道-列车耦合系统,提出了地面轨道交通诱发场地振动的高精度半解析快速预测技术,为地面轨道交通选线和采取减隔振措施方面提供重要支撑;2)提出了地铁运行诱发场地振动高效预测的2.5维间接边界元方法（IBEM）,为地铁选线、设计和采取隔振措施提供重要支撑;3)针对非连续屏障隔振问题,基于Graf加法定理并充分利用不同周期单元周围的波场完全相同但仅在频域内相差一个相位的特征,提出了非连续屏障隔振的周期解析解快速预测技术,为非连续屏障隔振设计提供重要支撑。 1)项目建立的地面轨道交通半解析预测技术,充分考虑了地基、轨道和列车间的动力相互作用,且计算仅取决于双重积分的耗时,可实现分钟内的快速预测;2)项目建立的2.5维IBEM预测技术,采用均布荷载动力格林函数为基本解,克服了现有边界元方法奇异性难题,且显著降低了计算需求,可实现10分钟内的快速预测;3)方法建立的非连续无限周期屏障隔振解析求解技术,计算量低、精度高,较常规有限周期模型节省25倍以上时间。 3. Duxseal-WIB复合波阻板减振控制理论与技术 Duxseal是一种高阻尼材料,被用于离心机等模型试验箱的吸收边界。2017年被本项目组首次用于屏障隔振领域。采用薄层法格林函数作为基本解,建立土体-结构动力相互作用的二维、三维边界元模型,揭示了Duxseal几何尺寸和土质参数对Duxseal屏障隔振效果影响的力学机制,并与传统WIB主动隔振进行对比分析。计算结果表明,竖向激振作用下,Duxseal可以有效减小地表位移振动幅值,对地表竖向位移的隔振效果整体优于水平位移。在一定变化范围内,增加Duxseal宽度、厚度或深度,均可提高其隔振效果。其隔振性能优于传统波阻板（WIB）,隔振效果可提高20%。 但Duxseal刚度小,作为隔振屏障会诱发地基的沉降变形,且Duxseal的隔振性能与WIB有良好的互补性。为此,项目组提出了Duxseal填充多孔波阻板形成复合波阻板的隔振屏障（DXWIB）。试验结果表明,DXWIB的隔振频带可达到0-1000Hz且隔振效果最高可达80%。而WIB的隔振频带为0-80Hz且仅在0-10Hz范围内隔振效果良好。复合波阻板的减振控制技术明显改善了WIB的隔振性能,提高了隔振效率,克服了WIB隔振频带窄且仅对低频振动有隔振效果的技术瓶颈。 依托本项目,主要获得以下成果。获国家发明专利2件,授权实用新型专利8件,软件著作权4项。出版学术专著1部,发表学术期刊论文30篇,其中SCI收录10篇,EI收录15篇,培养博士/硕士研究生9名。研究成果被纳入《天津市快速轨道交通盾构隧道设计规程》。成果被应用于天津地铁5、6号线的场地振动评估、颐和园北宫门受地铁4号线列车运行振动预测,直接经济效益达7000余万元,本项目研究成果具有广阔的应用前景。