城市轨道交通内置式泵房轨道系统力学特性及性能评估

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在软土地区和湿陷性黄土地区等地质软弱区段,内置式泵房轨道系统由于可以有效减小因废水泵房与联络通道合并建设而带来的隧道开挖风险,在城市轨道交通建设中得到了一定范围应用。内置式泵房轨道系统由于将废水泵房改设于道床内部,在道床中部进行了开槽开孔等处理,破坏了道床结构原有的完整性,对内置式泵房轨道系统的力学特性亟待研究。本文以城市轨道交通内置式泵房轨道系统为研究对象,结合盾构区间尺寸条件分析轨道系统的合理选型,基于多体动力学和有限元软件建立轨道系统的理论模型,对轨道系统的静动力行为、曲线地段行车性能以及振动传递特性进行了分析研究,为相关轨道设计及参数优化提供一定理论技术支撑。本文主要工作和结论如下:(1)建立内置式泵房轨道系统仿真模型,研究在四种静力荷载组合下轨道板的弯矩分布规律和最不利荷载组合下轨道板的应力与位移分布规律。研究表明,列车荷载作用下轨道板纵向最大弯矩为2.501k N·m,最小弯矩为-1.214k N·m,轨道板横向最大弯矩为2.654k N·m,最小弯矩为-3.013k N·m,弯矩主要集中分布在轨道板边缘与轨下位置;轨道板纵向应力主要集中分布在扣件位置,垂向位移主要分布在轨道板两侧,轨道板弯矩与变形集中位置可配置适量钢筋来增加结构强度。(2)建立车轨动力相互作用模型,研究列车荷载作用下轨道系统的动力学指标响应规律。研究表明,内置式泵房轨道系统在轨下位置应变率变化较为显著,结构层间和集中受力处存在应变率突变现象,层内差异较小,可增强关键位置处材料性能来提高轨道系统耐久性;在列车动力荷载作用下,钢轨和轨道板垂向位移最大值分别为为0.4mm和0.152mm,钢轨和轨道板垂向加速度最大值分别为180m/s和8.47m/s,轨道板纵向和横向应力最大值分别为0.475Mpa和0.331Mpa,列车运行的车体垂向和横向加速度最大值分别为为0.235m/s~2和0.204m/s~2,轮轨垂向力和横向力最大值分别为97.314k N和7.915k N,脱轨系数最大值为0.116,轮重减载率最大值为0.176,轨道系统的各项动力学响应指标均满足规范需要。(3)在轨道系统动力学模型基础上研究内置式泵房轨道系统在曲线地段时的行车性能,分析最不利线路条件时不同行车速度下轨道系统位移、振动加速度、车辆性能的响应特性。研究表明,轨道系统行车性能指标与列车运行速度呈正相关趋势,各项指标随列车运行速度增大而增大。在列车运行速度为80km/h、100km/h和120km/h时,钢轨位移变化范围为0.348~0.465mm,增加了33.62%;轨道板位移变化范围为0.143~0.207mm,增加了44.76%;钢轨加速度变化范围为102.88~180.67m/s~2,增加了75.61%;轨道板加速度变化范围为11.67~13.57m/s~2,增加了16.28%。内置式泵房轨道系统在曲线地段的各项行车性能指标均未超过规范允许值,并且具有较大的安全余量。(4)建立内置式泵房轨道系统振动传递特性分析模型,结合轨道板和轮对的固有模态特征和轨道系统振动传递特性来研究轮轨耦合系统作用下轨道系统的振动特性,进一步分析了扣件参数改变对轨道系统振动特性的影响。研究表明,内置式泵房轨道系统在自由工况下有6阶模态,频率分别为11.84Hz、36.36Hz、59.79Hz、95.49Hz、128.81Hz和156.21Hz;内置式泵房轨道系统的共振频率主要发生在0~100Hz内;扣件刚度改变主要影响轨道系统10~100Hz内的共振频率,扣件阻尼与轨道板质量改变主要影响轨道系统超过100Hz的共振频率。
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