[发明专利]一种2.5维三角形有限元地铁运营隔振沟屏障性能分析计算方法

说明书

一种2.5维三角形有限元地铁运营隔振沟屏障性能分析计算方法，包括：步骤1，构建2.5维三角形有限元计算模型；步骤2，沿模型的轨道方向坐标变量进行傅里叶变换，得到频域‑波数域变换域中的应变‑变形关系；步骤3，计算频域‑波数域中的移动列车荷载；步骤4，计算模拟单元在二维频域‑波数域中的振动响应解；步骤5，沿模型的轨道方向对振动响应解进行傅里叶逆变换，获得时域‑空间域中的三维振动响应解；步骤6，计算不同的隔振沟模拟单元下的三维振动响应解，对隔振沟屏障性能进行分析。本发明不同于已有2.5维计算方法的四边形单元，而是采用三角形单元模拟隧道构件、地基土等材料，网格划分灵活，计算适应能力好、计算精度更高。

技术领域

本发明涉及土木工程动力响应研究领域，具体涉及一种2.5维三角形有限元地铁运营隔 振沟屏障性能分析计算方法，特别针对地铁运营时隔振沟对周围环境的减振效果研究。

背景技术

现阶段我国处于地下空间建设的飞速发展时期，尤其是城市轨道交通建设方面，随着工 业化进程加快，城市规模迅速发展，地铁的建设运营为解决城市容量瓶颈、缓解交通压力带 来了希望。统计数据显示，截至2016年上半年，中国城市轨道交通运营里程已达3473.33公 里，车站数已经达到2350座，全国城市轨道交通建设总投资将超过2万亿元人民币，已列入 国家重点支持的民生工程。

与此同时，地铁运营引发的环境振动问题日渐凸显，地铁列车荷载较大，长期循环荷载 作用下必然会导致地基沉降，甚至影响线路正常使用，如上海地铁一号线在建成后未通车期 间基本没有发生沉降，而在开始运营8个月期间沉降增加了30～60mm，通车4年内部分路段 沉降超过140mm；南京地铁一号线西延线在运营4年后隧道最大累计沉降达122mm，均远远 超过了标准的20mm总沉降量。此外，振动会以波的形式通过地基传递到周围建筑，引起的 环境扰动对沿线高科技精密仪器运作、古建筑保护及居民生活均会产生不可忽视的影响，已 为工程界广泛。地铁列车运行引发的地基振动研究及有效隔振措施的选用，已引起广大学者、 工程人员的高度重视，如何快速、准确地分析地铁运行引发的近距离隧道振动响应特征并提 出有效隔振措施，是工程界一大亟待解决的问题。

设置屏障隔振，即隔振沟，是目前常用的列车振动隔振减振措施。现有针对隔振沟减振 作用的研究主要集中在高铁列车，已有地铁列车减振分析方法主要是通过对地铁隧道道床板、 隧道壁、地面及周围建筑的振动情况进行监测或三维有限元计算，而有关隔振屏障对地铁运 营减振效果的研究尚未见报道。另一方面，对隔振屏障的减振研究属于三维土动力学范畴， 计算过程繁冗且效率较低，2.5维三角形有限元法通过傅里叶变换将三维问题将为平面二维问 题，相比传统解析法、三维数值分析法等，具有快速、准确、高效等优势，极具工程应用价 值。因此开发一套有效的2.5维三角形有限元动力响应隔振分析计算方法具有重要的理论与 实践意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种2.5维三角形有限元地铁运营隔振沟屏障性能分析计算方法， 以解决运营地铁隧道隔振屏障的减振分析计算问题。主要对连续隔振屏障——隔振沟进行减 振有效性分析，建立双线地铁隧道-隔振沟模型进行数值模拟，并与无隔振措施的数值分析结 果对比，研究空沟、填充沟两种措施的减振效果，进一步对填充沟隔振效果进行了参数化分 析，致力于为实际工程中隔振措施的选取提供一定理论参考。

为实现上述目的，本发明提供一种2.5维三角形有限元地铁运营隔振沟屏障性能分析计 算方法，包括如下步骤：

步骤1，基于地铁列车实际运营数据及地层参数，构建2.5维三角形有限元计算模型；所 述模型包括模拟单元，所述模拟单元包括地铁隧道钢轨模拟单元、地铁隧道道床模拟单元、 地铁隧道初砌模拟单元、地铁地基土模拟单元和隔振沟模拟单元；所述模拟单元均采用三角 形有限元单元划分；

步骤2，构造所述模型的频域表达，所述频域表达中包含地铁运营振动响应，对所述频 域表达沿所述模型的轨道方向坐标变量进行傅里叶变换，得到频域-波数域变换域中的应变- 变形关系，将三维空间应变问题降为二维平面应变问题；