地下列车运行引起的环境振动预测模型研究

城市地下列车运行引起的振动传入地层及建筑物中，除影响沿线居民的正常生活外，还可能引起建筑物的损伤，干扰精密仪器的正常使用，因此如何准确高效地预测地下列车的环境振动，是一个长期未得到有效解决且非常重要的课题。本项目提出一个新的预测模型，并结合实验室试验和现场测试，以解决预测的准确性和计算效率问题。此模型根据移动荷载作用下求解域内任一点的动力响应解，把地下列车运行引起的振动问题归结到计算频率－波数域内的传递函数和频域内移动轴荷载的问题上，传递函数采用三维周期性有限元－无限元耦合模型来计算，移动轴荷载考虑为基于解析的车轨耦合模型中的轮轨接触力。此模型利用轨枕沿隧道轴向的周期性分布，采用Floquet变换把无限长求解域变换到一个"基本元"内，只需计算"基本元"的响应，然后由逆变换得到整个求解域的响应，避免了无限长结构的大计算量问题以及传统有限元模型边界截断所产生的计算误差，提高计算效率和准确性。

城市地下列车运行引起的振动传入地层及邻近建筑物中，除影响沿线居民的正常生活外，还可能引起建筑物的损伤，干扰精密仪器的正常使用，针对这些问题，需要在一条新线建设之初就对其日后运营期间的环境振动影响做出预测，只有准确预测才能更有针对性地采取对策，最大程度上减少列车运行引起的环境振动影响，而如何准确高效地预测地下列车的环境振动，是一个长期未得到有效解决的课题。针对这个问题，本项目提出了一个新的预测模型，并结合实验室试验和现场测试，以解决预测的准确性和计算效率问题。此模型根据移动荷载作用下求解域内任一点的动力响应解，把地下列车运行引起的振动问题归结到计算频率－波数域内的传递函数和频域内移动轴荷载的问题上，传递函数采用三维周期性有限元－无限元耦合模型来计算，而移动轴荷载考虑为基于解析的车轨耦合模型中的轮轨接触力。此模型利用轨枕沿隧道轴向的周期性分布，采用Floquet变换把无限长求解域变换到一个“基本元”内，只需计算“基本元”的响应，然后由逆变换得到整个求解域的响应，避免了无限长结构的大计算量问题以及传统有限元模型边界截断所产生的计算误差。本项目完成了三维周期性有限元-无限元耦合模型和基于解析的车辆-轨道耦合模型的理论推导和编程工作，并在北京交通大学轨道减振与控制实验室和北京地铁运营线路上进行了大量的现场振动实验和测试，验证了所提出预测模型的有效性和适用性问题。结果表明，此模型相对于传统的预测模型，大大提高了计算效率和准确性，可用于预测城市地下列车运行引起的环境振动，也可用于减振措施效果的分析和优化。