浅论高速列车运动荷载作用下地基和隧道的动力响应分析

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1、浙江大学博士学位论文高速列车运动荷载作用下地基和隧道的动力响应分析姓名：边学成申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：陈云敏20050301高速列车运动荷载作用下地基和隧道的动力响应分析摘要随着列车运行速度的提高，轨道和地基的振动也随之增大。特别是因为轨道和地基结构中临界速度的存在，当列车运行速度提高到一定程度时，轨道和地基中会出现振动急剧增大的现象，即发生共振现象，这个问题对列车的安全运行构成了巨大威胁。同时轨道振动通过波的形式在地基中传播到达铁路沿线居民区和生产厂区，给居民正常生活和机械精

2、密加工带来干扰已经。这些问题引起了铁路工程师和研究者的广泛注意。本文用解析推导和数值模拟两种方法从不同的角度对高速列车运行时带来的冲击荷载作用下铁路轨道和地基的动力相互作用以及铁路沿线地基的振动等问题进行了比较详尽的探索和研究。本文首先用解析方法推导了冲击荷载作用下分层地基的动力响应方程，对波的产生及其在地基中的传播以及在观察点处的位移响应进行了讨论分析。在此基础上用移动格林函数方法考察了地基表面和内部作用移动点荷载时的动力响应解析解。这两个模型都只注重波在地基中传播特性或荷载移动的影响等单一因

3、素的作用，避免引入列车荷载本身特性和轨道结构振动等复杂条件的影响。本文提出了动力予结构方法来对列车一轨道一地基整体系统进行建横和求解，特别考虑了引入枕轨后产生的离散支撑作用。本文使用传递矩阵来考虑分层土体和半无限空间土体对轨道的支撑作用，结合用格林函数表示的轨道在移动荷载作用下的变形表达式，得到整个系统在频域中的支配方程。解得的轨道变形可以直接用于评价轨道在列车荷载作用下的振动变形；而将轨枕和地基之间的相互作用力反向代入地基的运动方程后可以得到地基的振动响应。所有的解析过程在频率中实现，对时域中

4、振动变形的解答则通过傅里叶逆变换得到。通过与Kelvin地基模型的结果比较，可以知道在计算高速列车荷载作用下轨道和地基的振动问题时，必须考虑波在地基中的传播过程，否则就不能准确预测和解释轨道可能产生的共振问题。轨枕在轨道地基结构中十分重要，列车的移动荷载通过离散分布的轨枕转化为位置固定的冲击荷载传递到地基中。通过计算可以知道列车在低速运行时产生的轨道和地基变形是准静态的，在周围地基中衰减很快。而在高速运行的情况下，尤其当列车速度接近Raylei曲波在地基中的传播速度时，轨道和地基中会产生共振现象

5、，从而带来过大的振动。在轨道和地基的频率．波数响应谱中，我们也可以预测当移动荷载的速度线通过响应峰值区域时，地基和轨道会发生共振现象。本文还通过沿荷载移动方向应用波数变换建立了2．5维有限单元结合边界单元的数值模型，对列车移动荷载作用下的三维土与结构相互作用的复杂模型在保持模拟精度的情况下极大地减少了计算时间。轨道被简化成铺设在路基上的欧拉梁，路基和地基中的分层土体采用有限元模型以考虑轨道和土体之间的相互作用，而用边界元来模拟地基的半无限空间。在波数领域中经过离散化处理，先求解了垂直轨道方向的平

6、面内作用荷载时的动力问题，再沿轨道方向进行波数扩展，得到轨道地基在列车运动荷载作用下三维动力学问题的解。本文考虑了列车多轮重荷载下轨道和地基在频域中的解，通过傅里叶变换得到时域中的各个响应变位：同时给出了在地基中的应力分布，可供进一步分析列车运动荷载作用地基的长期沉降分析。利用瑞典X2000高速铁路运行时的相关参数和地质资料，本文用两种不同的分析方法计算了不同速度列车荷载作用下的振动响应问题，分析了当列车运行速度接近临界速度时轨道和地基中产生过大振动的现象。最后用X2000实际运行时的测试数据对

7、计算结果进行了对比验证，证明了模型和计算的可靠性。最后，本文利用开发的2．5维有限元．边界元结合方法对地铁列车在隧道中运行时的隧道结构和地基振动问题进行了建模，分析了列车荷载配置、隧道结构、地基物性等因素对地基中波的传播的影响，给出了地铁运行时地基的振动和应力分布。本文结果对于保障高速铁路的安全运行具有重要的参考作用，同时可应用于评估列车运行时在高速铁路沿钱产生的环境振动。关键词：高速铁路：共振现象：分层地基；铁路轨道：动力子结构方法；有限元边界元结合；地基振动；动应力分布DYNAMICANAL

8、ySESOFGRoUNDANDTUNNELRESPoNSESDUETomGI王．SPEEDTRAINMoVINGLoADSABSTRACTInthelastdecades，withtheconvenienceandefficiencyimprovementsprovidedbytheremarkablygrowingconstructionofhighspeedtrain∞ST)allalongtheworldtherecomethenegativeeffectsofthevibrationse