地铁浮置式轨道引起地表振动响应解析预测模型研究

在土层振动传递固有特性的基础上，提出一种针对地铁浮置式轨道型式引起的地表振动响应的解析预测模型。本模型将地铁环境振动的预测问题转化为计算浮置式轨道作用于基底的频域力群和求解土层振动频响函数的问题，然后通过系统合理简化将两部分进行频域叠加运算得出地表振动响应。采用本模型预测了北京地铁4号线浮置板区间地表振动响应，并与实测数据进行对比分析，结果表明：浮置板区间模型预测和地表实测加速度振动主频均为8～10Hz，且频域幅值相当，变化趋势相符；实测Z振级54．0dB，预测z振级56．1dB，预测结果较准确。本频域快速预测模型具有预测速度快、预测精度高、可进行频域预测等特点，是现有环评预测方法的有效补充。

基于土层振动频响函数预测地铁环境振动的频域解析方法

根据土层振动频响函数反映土层固有特性的原理,提出基于土层振动频响函数预测地铁环境振动的频域解析方法。首先采用车轨解析模型计算得到作用于隧道基底的系列频域力;然后采用土体解析模型计算得到系列频域力作用点处到地面预测点处的系列土层振动频响函数;再根据土层固有特性不随输入荷载大小而改变的性质,将单个频域力与其对应的土层振动频响函数进行复数相乘,得到单个频域力作用下地面预测点处的振动响应;最后将各作用点处振动响应累加得到地面预测点处的振动响应。采用此方法预测北京地铁1号线东单站至建国门站区间由地铁列车运行引起的地面振动响应,并利用现场地面振动测试数据进行验证。结果表明:预测的地面振动加速度时程波形及频谱波形、地面振动1/3倍频程加速度级曲线和Z振级均与现场实测结果基本一致;该预测方法具有计算速度快、预测精度高、预测频带宽等特点,可以有效地预测地铁运行引起的环境振动响应。

剪切型减振器扣件工作性能及改进

剪切型减振器扣件减振性能良好,广泛应用于城市轨道交通线路,但在减振器扣件区段发生较为严重的钢轨异常波磨。在300 Hz频段减振器轨道振动加速度存在较大峰值带,发生轮轨强烈共振;在200~350 Hz频段,减振器扣件轨道系统的阻尼比很小,动刚度在300 Hz存在波谷。同时,振动加速度频域分布、行车速度和波磨特征波长具有高度相关性,所以,在300 Hz频段的轮轨共振是产生异常波磨的主要原因。针对此问题,提出通过安装调频钢轨阻尼器（TRD）的方案改善轨道动力特性,并进行安装前后的实验室动力特性测试。研究结果表明：安装TRD能够改善Ⅲ型减振器轨道的动力特性,调节频率,提高阻尼,降低工作频率,改善轨道的减振性能。本方案可以作为地铁线上整治异常波磨的有效方法。

中国首创五大新兴智能基础学科的交叉应用与展望

可拓学、灰色系统、界壳论、集对分析和消错学这五大新兴智能基础学科都是我国首创的理论。本文首先简单介绍了五大学科，随后给出了五大学科的关系矩阵并讨论了其交叉应用的发展概况，最后对其交叉所产生的空白领域追行了初步的探讨，然后对其未来发展进行了展望。

地铁列车运行引起的振动对精密仪器影响的预测研究

采用一种动力有限元数值模型,并结合道路交通现场振动测试,对北京地铁8号线列车运行对邻近地铁线路的某科研楼内精密仪器的振动影响进行了预测研究,并比较了普通无砟轨道和浮置板轨道两种工况下楼内外的振动响应。提出了该有限元模型的网格划分、边界条件、阻尼施加等建模原则,采用实测的钢轨振动加速度计算而来的动态轮轨力作为该模型上的激励力。结果表明:采用该动力有限元模型可以有效地预测地铁列车运行引起的振动;浮置板轨道是一种有效的减振措施,在其工作频段内有显著的减振效果,但对低频振动没有减振效果,而且在其自振频率处还有一定的放大作用;地铁8号线开通后,地铁列车振动再叠加上道路交通引起的振动会对科研楼内部分精密仪器的正常工作造成一定的影响,仪器基座处可采取相应的隔振措施来减小振动。

地铁列车与道路车辆运行对环境的振动影响现场测试与分析

为评价地铁列车和道路车辆运行对环境的振动影响,选取北京地铁1号线东单站—建国门站普通无砟轨道区间以及4号线北京大学东门站—圆明园站浮置板轨道区间,在地表布置多个传感器,对地铁列车单独引起的振动、公交车单独引起的振动,以及两者叠加振动进行现场测试,对振动的Z振级和1/3倍频程谱进行分析。结果表明:无论采用非减振的普通无砟轨道还是浮置板轨道,在距离地铁隧道中心线一定范围内,公交车引起的振动对沿线居民影响要强于地铁列车;采用浮置板轨道,可降低地铁列车引起的10Hz以上的地表振动,尤其是4080Hz控制频段内的振动,可在一定程度上减小地铁列车对沿线居民的振动影响。可采用浮置板轨道来减小地铁列车振动对沿线精密仪器的影响,但采用浮置板轨道仍会使得现有环境振动有所增加,其增量是否会影响沿线精密仪器正常使用,需要根据仪器对环境振动的限值而定。

北京地铁采用调频式钢轨减振器抑制钢轨振动的试验研究

北京地铁剪切型减振器扣件区段大量出现钢轨波磨现象,经调查和测试分析发现：剪切型减振器扣件轨道系统在200~400Hz频段内的轮轨共振效应是引发钢轨波磨的主要原因,而剪切型减振器扣件轨道系统在此频段内阻尼过小,无法有效抑制钢轨振动。在轨腰处安装一种调频式钢轨减振器来抑制钢轨振动,进而抑制波磨发展,并在北京地铁亦庄线进行了现场试验,主要测试指标为调频式钢轨减振器安装前后钢轨振动衰减率和钢轨振动加速度。试验结果表明：安装调频式钢轨减振器,大大提高了剪切型减振器扣件轨道系统在200~400 Hz频段内的钢轨振动衰减率,有效地抑制了此频段内钢轨的振动。

调频式钢轨阻尼器对剪切型减振器轨道动力特性的影响

为了探讨采用调频式钢轨阻尼器（TRD）整治剪切型减振器轨道结构区间异常钢轨波磨的可行性,在长25 m的轨道试验平台上采用锤击试验测试了安装TRD前后剪切型减振器轨道的结构动力特性。结果表明：安装TRD可以优化150~400 Hz频段内剪切型减振器轨道结构的频响特性与钢轨的竖向振动衰减率。一方面,TRD降低了此频段内的钢轨频响函数峰值,而该频段内的轮轨共振被认为是导致剪切型减振器轨道钢轨波磨产生的主要原因。另一方面,TRD使钢轨竖向振动衰减率提高了4倍~8倍,抑制了竖向振动沿钢轨纵向的传播;不仅如此,安装TRD后,钢轨的水平向振动衰减率大于原剪切型减振器轨道,即提高了轨道系统沿钢轨纵向对钢轨水平向振动的衰减能力,增强了对钢轨横向振动的约束,在一定程度上增加了轨道的横向稳定性。

地铁剪切型减振扣件地段钢轨波磨成因与治理措施

针对采用剪切型减振扣件的地铁线路上出现的固定波长的钢轨波磨现象,通过现场测试与室内试验相结合的方法,对其产生的原因及治理措施进行研究.结果表明：这种钢轨波磨现象的产生与该轨道结构形式下钢轨的垂向动力响应特性密切相关;采用剪切型减振扣件地段的钢轨动力响应曲线在180～230和250～320Hz范围内出现共振敏感点,与60km· h^-1车速引起的激振频率相吻合,从而引发了相应固定波长的钢轨波磨现象;为抑制钢轨波磨的发展,选用静刚度和减振性能相近、上铁板直接作用在橡胶垫板上的压缩型减振扣件替换剪切型减振扣件,使轨道结构的动力特性改变,从而大幅降低了在180～210Hz频率范围内轮轨的相互作用;经过近1年的观测,30～100mm波长范围内的移动波深峰—峰平均值最大减少约为20 μm.

北京地铁剪切型减振器扣件钢轨波磨治理的试验研究

北京地铁近年来投入运营的几条线路中，剪切型减振器扣件区段大量出现钢轨波磨现象，经过大量的调查和测试分析发现：剪切型减振器扣件轨道系统在200-400Hz频段内的轮轨共振效应是引发钢轨波磨的主要原因。为了抑制波磨发展，在剪切型减振器扣件内增设橡胶垫块，并在北京地铁10号线选择两个试验段进行了现场试验，对两个试验段的钢轨走形带粗糙度进行了为期6个月的跟踪测试。测试结果表明：在剪切型减振器扣件内增设橡胶垫块有效地控制了钢轨波磨的发展，并在一定程度上起到了消减钢轨波磨的作用。

轨道系统钢轨振动衰减率动力测试研究

研究目的：钢轨振动衰减率是轨道结构动力分析的重要内容，可反映振动沿钢轨纵向传播的特性。本文采用试验的方法，对比分析剪切型减振器、DTVI：扣件两种轨道结构型式下的钢轨振动衰减率，并进一步分析北京地铁特殊钢轨波磨的成因及整治措施。研究结论：（1）在大于400Hz频率范围内，剪切型减振器扣件比DTVI：扣件具有更大的振动衰减率；（2）剪切型减振器扣件在160～250Hz频段的振动衰减率较低，大部分低于0．1dB／m，在该频段不能提供足够的阻尼抑制轮轨相互作用引起的剧烈振动，这是钢轨异常波磨快速发展的主要原因之一；（3）针对性地调节轨道系统振动频率特性以避开轨道共振峰值点，并提高系统动态阻尼抑制钢轨振动，是有效整治异常波磨发展的重要改进措施；（4）本研究成果可为整治北京地铁异常钢轨波磨提供依据。

采用剪切型减振器扣件的钢轨频率响应特性测试分析

轨道结构的频率响应特征反映了轨道结构在频域范围内的固有特性,是对轨道结构进行动力分析的一项重要内容。本文在一个25m长的足尺轨道试验平台上,采用锤击法对比测试了剪切型减振器扣件以及DTVI2扣件两种轨道结构型式下钢轨的垂向频率响应特性,并结合北京地铁发生的钢轨波磨现象,分析了钢轨的垂向频率响应特性与波磨特征频率的相关性。结果表明:(1)剪切型减振器扣件轨道结构型式下钢轨的垂向"pinned-pinned共振"不是导致钢轨波磨的主要原因;(2)试验得到的剪切型减振器扣件轨道结构型式下的钢轨垂向频率共振点与现场实测的典型波磨频率高度吻合。钢轨垂向频率响应特性是影响列车与轨道相互作用的必要非充分条件,只有车辆系统在特定频率的激扰下,才能诱发激烈的轮轨相互作用,导致钢轨波磨现象的发生。

地铁列车运行引起环境振动响应的人工单点列脉冲激励预测方法

为了在频域内精确预测地铁列车运行引起的环境振动响应,研究提出基于实测振动传递特性的人工单点列脉冲激励预测方法。应用人工单点列脉冲激励获得传播系统的振动传递特性,采用振动传递转换公式将其转化为地铁列车运行时的振动传递特性;结合已建立的实测振源数据库,预测地铁列车运行引起的环境振动响应。以地铁15号线望京站—望京东站区间的地表振动预测为例,采用该方法、数值模拟方法和链式衰减预测法分别预测该区间地表预测点处的振动响应,并与实测结果进行对比。结果表明:采用该方法可以得到受振目标测点的频谱、1/3倍频程谱、Z振级等指标,并可实现多点同步、精确的振动响应预测;与其他2种预测方法相比,该方法具有预测精确度高、预测频带宽、受振目标针对性强等特点,适用于地铁隧道修建前后对重点受振目标的频域内精确预测。

地铁列车振动环境影响的深孔激振实测传递函数预测方法

针对地铁列车振动环境影响的预测问题,提出了一种新型的深孔激振实测传递函数预测方法。本方法采用高精度车轨耦合解析模型求解振源输入力序列,通过现场原位深孔内激振实测获取地层振动传递函数序列,通过精细化有限元模型求解隧道结构修正函数序列,然后将3部分在频域内进行对应叠加运算求得地铁运行引起的地表振动响应。为了验证该预测方法,研制了可以用于深孔激振的新型设备,并在现场施工了15m埋深的激振孔,在其内部进行脉冲激励实测了地表传递函数序列,然后带入本方法预测流程进行地表振动响应预测。选取北京地铁某线类似条件地点的地表加速度实测数据进行对比验证,结果表明:预测结果和现场实测时域峰值均为0.08m/s^2,振动主频均为40~70Hz,1/3倍频程谱的量级和变化规律基本一致,Z振级接近。表明本预测方法预测精度高,频谱特性好,可以对地铁列车运行时的地表振动响应进行精确预测。

剪切型减振器扣件轨道钢轨波磨特性测量

钢轨波磨的准确测量及评价是研究钢轨波磨问题的基础.根据国际标准BS EN 15610:2009要求,采用精密仪器CAT钢轨波磨测量分析小车,对北京某地铁线钢轨波磨的发展过程进行了跟踪测量,并分析了波磨的典型特征、波长谱特性及发展规律.结果表明:钢轨波磨与轨道结构型式密切相关;钢轨波磨典型波长的波磨发展并不会持续增加,而是会扩展为长波波磨及短波疲劳裂纹.跟踪监测表明,制定出合理的打磨计划和验收标准对经济、高效缓解波磨的发展具有重要意义.

轨道结构上轮对相互影响系数的解析求法

为了建立更合理的频域车轨耦合模型,提出一种求解移动荷载状态激振下轨道结构上轮对相互影响系数的解析方法。该解析方法视离散支撑轨道结构为周期性的结构,首先在与列车轮载同速的移动坐标系下对Dirac荷载作用下钢轨的振动控制方程进行系列积分变换,并将影响系数化简为含有钢轨垫片中频域力的表达式,而后以传递矩阵方法求得该频域力,进而最终求得轮对的相互影响系数。研究结果表明:该方法计算准确度高,计算速度快,能很好地应用于频域车轨耦合模型中;列车在高速时采用定点荷载状态激振会产生较大误差,此时宜使用移动荷载状态激振。

钢弹簧浮置板轨道减振性能现场对比测试

为研究随机列车荷载作用下钢弹簧浮置板轨道(steel spring floating slab track,简称SSFST)上线运营后的减振效果,选取某地铁线路同一区间、同一曲线段内的普通无砟轨道及钢弹簧浮置板轨道典型测试断面,在同一天内开展了现场对比测试。研究结果表明:钢弹簧浮置板轨道减振效果的线上评估结果与列车、轨道的实际运营状态直接相关;在不同列车的随机激励作用下,Z振级相对插入损失(ΔVL_(Z,max))相差超过10 dB,且部分测试样本无法满足特殊减振的设计需求;为获得保守的评价结果,应选择轮、轨平顺状态良好的运营区段开展对比测试;通过合理的养护维修,使运营列车及轨道保持良好的运行状态,是减振轨道区段满足振动控制需求的关键。

随机轮轨动态激励对钢弹簧浮置板轨道减振性能影响分析

为分析随机轮轨不平顺对钢弹簧浮置板轨道减振性能影响,该文采用随机模拟的方法,研究了不同轨道不平顺状态下随机车轮不圆顺在浮置板轨道插入损失评估结果方面的随机特性,以及轨道不平顺发展对插入损失评价结果的影响。研究结果表明:不同轨道不平顺状态下,随机车轮不圆顺作用下隧道壁最大Z振级的插入损失离散超过10 dB,且随着轨道不平顺的发展,插入损失的样本均值和标准差均明显减小;分频插入损失统计结果显示,轨道不平顺的发展对频率低于6.3 Hz的插入损失影响更加显著,对于20 Hz以上频段的统计均值的影响并不明显。

轮轨激励对橡胶垫浮置板轨道减振效果的影响

以某一组临近的普通整体道床和橡胶垫浮置板轨道为研究对象,对比测试振源加速度,同步调研上线运营列车的净运营里程,并开展车轮不圆顺测试,分析不同轮轨不平顺状态下橡胶垫浮置板轨道的减振效果。结果表明:在评价减振轨道的振动控制能力时,除了针对插入损失(或对比损失)开展客观评价外,也需要分析随着轮轨动态激励的增强是否会导致减振轨道段振动响应超过振动限值的问题;测试线路列车车轮呈现明显的7—9阶多边形磨耗特征,且随着轮轨激励的增强,Z振级相对插入损失的评价结果逐渐增大;橡胶垫浮置板轨道分频减振能力的评价结果与不同频段的激振原理直接相关,轨道扣件系统的自振频率(63 Hz)处轮轨动态激励的增加导致普通轨道的隧道壁振动响应增幅更大,该中心频率处的对比损失随着净运营里程的增加而变大。

双碳目标下铁路储运氢气现状及展望

为促进氢能发展,助力实现双碳目标,对铁路储运氢气进行探究。通过分析工业和交通运输等领域对氢气的需求,对比不同氢气储运方式的储运条件、储氢密度和储运规模等因素,探究现有氢气储运方式存在的问题,研究发现运输距离超过400 km的陆地大规模氢气储运方式仍处于空白阶段,这极大限制了氢能产业发展;基于铁路运输特点和氢气储运现状,提出利用铁路进行陆地大规模、远距离储运氢气。针对铁路储运液氢,进行前瞻性分析,探究影响铁路储运液氢经济和安全的因素,研究提出运输距离超过400 km时,铁路储运液氢比公路更具优势;运输距离超过1000 km时,铁路储运液氢平准化成本为1.35元/kg。通过对铁路储运液氢前瞻性和可行性分析,研究提出需进一步健全液氢储运标准体系、攻克技术难题、完善基础设施建设,以更好推进我国建设清洁低碳、安全高效的新型能源体系。