随着我国城市轨道交通的快速发展和城市地铁线网的加密,城市轨道交通振动带来的问题日益突出。在地铁振动的仿真计算方面,二维模型由于具有自由度少、计算代价低等优点,从而被广泛使用,但其也存在部分指标计算精度不高、无法体现轨道结构三维空间特性等缺点。而随着计算机性能的发展,传统的二维模型逐渐被精细化的三维车轨耦合模型所取代。但是在模拟地铁引起地面结构振动等问题上,在模拟一些大规模系统动力学模型时,三维模型由于结构体系过于庞大,所需计算代价过高,求解问题的效率将大大降低。基于以上问题,本文基于地铁中钢弹簧浮置板轨道结构,针对二维和三维模型的计算精度、参数取值和车辆荷载模拟方式等问题进行了一系列研究,通过现场测试检验模型的合理性,最后根据准确的三维模拟方法对二维模型的改进提出建议。论文主要研究工作如下:(1)利用ABAQUS有限元软件,分别建立了二维平面振动模型和三维空间耦合分析模型。其中二维模型基于平面应变原理,采用平面壳(shell)单元建立,车辆荷载使用经验分析法拟合,建立了二维平面轨道-隧道-土体有限元模型;三维模型基于空间动力有限元、车辆-轨道耦合动力学理论等,车辆动力学模型采用弹簧阻尼系统连接的多刚体运动体系进行模拟,轨道、隧道及土体采用采用空间实体单元进行模拟,基于Hertz接触理论模拟轮轨接触关系,以实测不平顺为激励,采用无限元方法模拟模型的边界,以降低振动波在边界处反射带来的影响,在此基础上建立了车辆-轨道-隧道-土体空间耦合动力学模型。针对所建立的二维平面模型及三维空间耦合模型,分别结合既有文献及实测数据对模型的可靠性进行了验证。(2)利用二维轨道-隧道-土体振动分析模型对地铁振动特性问题进行研究。为了保证计算精度,首先通过研究确认了二维平面模型的网格密度和模型尺寸:二维模型选取的网格密度应小于1m、模型宽度大于120m、模型深度大于70m。在此基础上分析了轨道结构参数和车辆速度对轨道结构振动特性的影响规律。(3)利用车辆—轨道—隧道—土体振动分析空间耦合有限元模型对系统振动特性进行了研究。首先通过研究确认了三维空间模型网格密度和模型尺寸对计算结果的影响:当最大网格密度小于2m、模型宽度大于120m、深度大于70m时,能满足模型计算精度的要求。在此基础上分析了轨道结构参数和列车速度对系统振动特性的影响规律。(4)通过开展城市轨道交通地下线轨道结构动力学测试,研究了行车条件下轨道及隧道的振动特性。动态测试中主要测量了钢轨、浮置板、隧道壁垂向加速度和钢轨、浮置板垂向位移,通过对测试数据进行时域频域分析与统计,得到了行车条件下系统的动力学响应。(5)结合现场动态测试结果针对二维平面模型、三维分离模型、三维耦合模型的仿真结果进行了对比验证。对于三维分离模型,分别采用基于三维耦合模型计算得到的轮轨力、扣件反力作为激励,将三维分离模型仿真结果、三维耦合模型仿真结果与动态测试结果进行对比,结果表明,当采用轮轨力荷载作为振源激励时,“分离”模型与耦合模型计算结果基本一致;采用扣件作用荷载作为荷载激励时,加速度在100Hz以内的低频范围拟合较好,中高频衰减较大。对于二维模型,当采用传统经验公式得到的轮轨力作为激励时,在相同参数条件下,二维模型的计算结果往往大于三维结果;通过传统经验公式计算得到的频域成分比较单一,与实际情况存在较大差别;当以三维耦合模型全程轮轨力仿真结果、单点轮轨力仿真结果和扣件反力仿真结果作为荷载激励施加到二维模型中时,研究表明,采用以上三种激励形式得到的振动响应较采用传统轮轨力拟合公式得到的振动响应精度有明显提高,改进后的二维模型能够较好的模拟地铁振动轨道的振动传递规律,其中采用全程轮轨力仿真结果作为激励时二维平面模型计算精度提高最为显著。