随着我国高速地铁的蓬勃发展,地铁隧道附属设备的市场需求量越来越大。地铁列车速度的提升,也对地铁附属设备的设计提出了更高的要求。国内外学者采用数值模拟计算、模型试验、现场实测等方法对高速地铁隧道的空气动力学效应问题进行了大量研究,但是,对于地铁列车活塞风对隧道内附属设备的结构安全性和疲劳耐久性所产生的不利影响的研究较少。为此,针对140km/h速度下我国第一条高速地铁线,本文对地铁隧道内的附属设备进行了研究。本文推导了地铁列车活塞风恒定流动和非恒定流动状况下的活塞风速,概述了高速地铁隧道附属设备种类,详细说明了设备组成结构、安装方式以及工作条件。以附属设备为研究对象,建立了数值仿真模型。结合理论分析,运用常规静力学、风振动态响应、单向流固耦合、双向流固耦合以及疲劳分析等一整套仿真手段对附属设备进行研究,为高速地铁的安全运营以及延长高速地铁隧道内附属设备的使用寿命提供重要保证。首先,结构力学分析结果表明:(1)在正峰值压强及负峰值压强作用下,所计算的附属设备最大von Mises应力值均小于其材料屈服强度,满足强度要求且多数有很大的富余量;(2)附属设备锚固处混凝土最大拉应力均小于1.54MPa,满足《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》要求;(3)受地铁活塞风影响较大的附属设备和混凝土分别为单体风阀、接触网刚性悬挂B锚固处混凝土。研究了不同开合角度下的单体风阀结构应力及位移变化规律,分析了单体风阀结构参数对其应力及形变量的影响规律,对风阀的系列化、标准化、模块化提供了一定的理论指导。其次,利用单向流固耦合方法提高了附属设备载荷加载的合理性,运用双向流固耦合方式使单体风阀结构域的变形对流体域的影响得到了考虑。通过提取单体风阀结构前30阶固有频率和振型,发现振动主要发生在叶片结构上。基于隧道附属设备动态特性研究及耦合分析结果,对比了各种仿真计算结果间的差异性,对比结果表明:(1)各种仿真手段下的隧道附属设备结构满足强度及位移要求;(2)单体风阀瞬态动力学计算结果相较于结构静态分析有较小的放大效应;(3)常规结构静态分析结果偏于保守,也最安全,准确度却较差;单向及双向流固耦合分析更接近实际情况,计算结果更加真实,其中双向流固耦合分析结果最为准确。最后,利用《钢结构设计规范》(GB50017-2003)推导了单体风阀材料的S-N曲线表达式,结合材料弹性模量和极限抗拉强度拟合出材料S-N曲线。基于S-N曲线和线性累积损伤理论,采用专业的疲劳分析模块Fatigue tools对单体风阀进行疲劳寿命数值仿真计算,结果表明,结构常规风振下的最小疲劳寿命为9.59?10~5cycle;最小安全系数为1.248,位于断轴与叶片连接处,与单体风阀结构所受最大Von Mises应力位置相同。相对于常规风振疲劳分析结果,基于流固耦合作用下的单体风阀最小安全系数增大了67.64%。本文的研究思想与研究方法对于高速地铁隧道附属设备结构的设计具有一定的指导意义,在提升隧道附属设备安全性能的基础上,提高产品的市场竞争能力,并对研究和开发其他高性能机械产品提供一定的参考价值。