钢轨扣件反力计算方法和地铁振动频域响应计算方法技术

技术编号:11605610 阅读:96 留言:0更新日期:2015-06-17 03:26
本发明专利技术提供了钢轨扣件反力计算方法和地铁振动频域响应计算方法,具体涉及地铁隧道环境振动预测领域。本发明专利技术所提供的钢轨扣件反力计算方法通过在预先获取的第一模型的基础上,增加整体道床与隧道叠合梁模型,以确定第二模型,其中,第一模型是车辆-轨道耦合模型,第二模型是车辆-轨道-隧道耦合模型。并在第二模型中计算隧道指定部分的动参数随频域振动位移的变化量,其中,动参数包括动阻尼和动刚度,还进一步根据动参数随频域振动位移的变化量,计算在第二模型中的不同工况下的钢轨扣件反力,由于在建立的第二模型中考虑了相关技术中并未考虑到的轨道系统内高分子减震材料的动参数,因而使计算得出的扣件力更为准确。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及地铁隧道环境振动预测领域,具体而言,涉及钢轨扣件反力计算方法 和地铁振动频域响应计算方法。
技术介绍
地铁列车在轨道上行驶时,由于车轮偏心,车轮与道岔、钢轨的碰撞以及线路不 平顺等原因,引起车轮的振动,经钢轨一扣件一轨枕一道床一隧道结构一围护地层传至地 面及建筑物。 若将整个隧道视为振源,可近似作为半空间内埋深面波源,振动以横波、纵波、瑞 利表面波合成的复杂波动形式,通过大地介质向外传播,近场的振动波型主要以弯曲波形 式传播,远场主要以表面波形式传播。对于地铁振动传播,上述主要影响参数中以列车质 量、运行速度、轮轨、扣件、道床条件、隧道结构等因素对地铁振动源特性影响较大。通过地 铁隧道环境振动预测能够便于对地铁的工作进行理论分析和指导地铁进行调整。 在地铁隧道环境振动预测方面,目前主要有4种方法,分别是现场测试、模型试 验、经验公式与理论解析。现场测试虽然可以获取有限时段、有限断面、有限范围的振动数 据,并掌握其在部分区域内沿线路纵向、横向与深度方向的衰减规律,但是地铁全线大范围 的测试成本极高,不具推广价值,而且仅适用于既有线路的环境振动评估;模型试验在实验 室内进行,操作方便且条件可控,但是实验条件过于理想,结果可靠性与准确性备受争议; 经验公式是建立在大量测试数据基础上的,且仅适用于特定地点的地质环境,然而不同地 区的地质类型及其分布特征差异极大,所以该方法不具有良好的普适性;理论解析可分为 时域分析与频域分析两大类,时域预测的时间成本太高,不利于地铁全线环境振动的快速 预测,然而尽管频域预测的效率较高,但是现有众多的频域分析模型中所有材料模型均基 于弹性假设,也就导致了现有方法的预测精度并不高(特别是频域内的预测精度方面)、 适用范围也非常有限且均无法实现地铁隧道全线环境振动的可视化管理与评估。 综上,现有的地铁隧道环境振动预测方面,难以客观的获取进行地铁隧道环境振 动预测所需要的数据,如钢轨扣件反力。
技术实现思路
有鉴于此,本专利技术实施例的目的在于提供钢轨扣件反力计算方法,以提高钢轨扣 件反力计算方法计算的准确度。 第一方面,本专利技术实施例提供了钢轨扣件反力计算方法,包括: 在预先获取的第一模型的基础上,增加整体道床与隧道叠合梁模型,以确定第二 模型,第一模型是车辆-轨道耦合模型,第二模型是车辆-轨道-隧道耦合模型; 在第二模型中计算隧道指定部分的动参数随频域振动位移的变化量,其中,动参 数包括动阻尼和动刚度; 根据动参数随频域振动位移的变化量,计算在第二模型中的不同工况下的钢轨扣 件反力。 结合第一方面,本专利技术实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式,其中,第 二模型为:【主权项】1. 钢轨扣件反力计算方法,其特征在于,包括: 在预先获取的第一模型的基础上,增加整体道床与隧道叠合梁模型,以确定第二模型, 所述第一模型是车辆-轨道耦合模型,所述第二模型是车辆-轨道-隧道耦合模型; 在第二模型中计算隧道指定部分的动参数随频域振动位移的变化量,其中,动参数包 括动阻尼和动刚度; 根据动参数随频域振动位移的变化量,计算在第二模型中的不同工况下的钢轨扣件反 力。2. 根据权利要求1所述的钢轨扣件反力计算方法,其特征在于,所述第二模型为:其中,mbt为道床-隧道叠合梁单位长度的质量(kg/m) ;Ebt为整体道床-盾构隧道叠合 梁的弹性模量(Pa),Ibt为道床-隧道梁的截面惯量(m4) ;lbt为道床-隧道简支梁长度(m); NMbt为道床-隧道叠合梁所截取的模态阶数;Nbt为道床-隧道梁下离散支点数;Ykbt (Xi)为 道床-隧道叠合梁的振型;qkbt (t)为道床-隧道叠合梁的正则振型坐标;Kfi、Cfi为隧道底 部地基沿纵向每米的支承刚度(N/m)与阻尼(N*S/m),^sj(t)为钢轨扣件反力(N),Kpi、Cpi 分别为轨下胶垫刚度(以!11)与阻尼"4/111),匪为钢轨所截取的模态阶数,¥11〇〇与(1 11(〇 分别是钢轨振型和钢轨正则振型坐标。3. 根据权利要求2所述的钢轨扣件反力计算方法,其特征在于,所述在第二模型中计 算隧道指定部分的动参数随频域振动位移的变化量包括: 根据第二模型得到第二模型的矩阵表达式,,其 中,为系统的质量矩阵,为系统的阻尼矩阵,为系统的刚度矩阵,为系统的 转换矩阵,{Q}为系统广义力向量,{q}为系统广义位移向量,{ZJ为不平顺位移向量; 根据第二模型的矩阵表达式分别确定隧道指定部分随频率、幅值与温度变化的阻尼矩 阵的传递函数和随频率、幅值与温度变化的刚度矩阵传递函数; 计算第二模型系统的不同自由度响应的功率密度谱。4. 根据权利要求3所述的钢轨扣件反力计算方法,其特征在于,所述根据第二模型的 矩阵表达式分别确定隧道指定部分随频率、幅值与温度变化的阻尼矩阵的传递函数和随频 率、幅值与温度变化的刚度矩阵传递函数包括: 令(?} = e~t, = e~t,得出第二模型系统动参数随频率、幅值与温度 变化情况下的传递函数,(-?2+i〇 + ) = ,其中, 为随频率、幅值与温度变化的阻尼矩阵,为随频率、幅值与温度变化的刚度矩阵,《 是不同振动频率对应的角速度,A是不同频率对应的幅值,T是环境温度; 所述计算第二模型系统的不同自由度响应的功率密度谱包括,根据如下公式 计算第二模型系统在不同自由度响应的功率谱密度Sqi(O) = |H(?) |2Sn(?), =似4\,.(你),其中,Sqi(O)为第二模型系统第i个自由度下的位移响应功率谱密 度,Sqi(W)为系统第i个自由度下的加速度响应功率谱密度,S11O)为系统第1位轮对处 轨道不平顺功率谱密度。5. 根据权利要求3所述的钢轨扣件反力计算方法,其特征在于,在所述得出第二模型 系统动参数随频率、幅值与温度变化情况下的传递函数后还包括: 在第二模型系统中,根据隧道指定部分材料在不同频率下,振幅小于预设数值的动参 数,计算各频率振幅,以确定参考振幅; 根据所述参考振幅重新选择对应的动参数,进一步求解材料应变,并判断不同频率下 动变形与动参数是否收敛至某一定值时停止; 若否,则再次执行步骤在第二模型系统中,根据隧道指定部分材料在不同频率下,振幅 小于预设数值的动参数,计算各频率振幅,以确定参考振幅。6. 根据权利要求5所述的钢轨扣件反力计算方法,其特征在于,所述根据所述参考振 幅重新选择对应的动参数,进一步求解材料应变包括:采用1/3倍频程来分频带地统计应 变,再利用不同频带应变大小与动参数的对应关系,重新调整系统刚度与阻尼矩阵。7. 地铁振动频域响应计算方法,基于如权利要求1-6所示的钢轨扣件反力计算方法, 其特征在于,还包括: 在预设的图层中,将不同土层分界线和隧道边界线分别离散成由多个两两间隔预定距 离的坐标点所组成的坐标点集合,以确定土层分界点集和隧道边界点集; 沿里程方向,逐层比较纵向土层分界点集中,和/或隧道边界点集中,相邻点的深度坐 标变化幅度; 若相邻点的深度坐标变化幅度超过预定变化幅度数值,则根据变化幅度超过预定数值 的点的横坐标为参考坐标,沿竖直方向分别获取土层分界线和隧道边界线上与参考坐标相 同的位置的点的参数信息作为建模本文档来自技高网
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【技术保护点】
钢轨扣件反力计算方法,其特征在于,包括:在预先获取的第一模型的基础上,增加整体道床与隧道叠合梁模型,以确定第二模型,所述第一模型是车辆‑轨道耦合模型,所述第二模型是车辆‑轨道‑隧道耦合模型;在第二模型中计算隧道指定部分的动参数随频域振动位移的变化量,其中,动参数包括动阻尼和动刚度;根据动参数随频域振动位移的变化量,计算在第二模型中的不同工况下的钢轨扣件反力。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:韦凯王平赵才友罗伟杨帆周昌盛张攀赵东锋盛曦
申请(专利权)人:西南交通大学
类型:发明
国别省市:四川;51

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