铁路隧道概率极限状态设计分项系数标定与讨论

目前，我国结构设计规范中广泛采用以荷载和抗力分项系数代表概率可靠性的概率极限状态设计方法。然而，在Eurocode 7等岩土工程结构的设计规范及相关研究中，对荷载与抗力分项系数方法，即以一组固定分项系数来保证不同工况下工程结构可靠性提出质疑。基于多年来我国铁路隧道衬砌结构概率极限状态设计的研究成果与应用情况，进一步细化不同围岩分级、埋深和衬砌类型的分项系数标定，共标定28种工况下衬砌结构设计的分项系数；分别采用本文、《铁路隧道极限状态法设计暂行规范》和《铁路隧道设计规范》的衬砌结构可靠性与安全性评价指标，对京张高铁八达岭隧道8种工况下设计方案的安全性与可靠性进行对比分析，不同工况下的隧道衬砌结构设计可靠指标与安全系数差异较大，说明荷载与抗力分项系数方法在铁路隧道衬砌可靠性设计中的稳健性较差。建议在隧道设计规范层面应逐步开展基于概率可靠性地勘和计算两阶段的研究，并提出铁路隧道设计方法转轨的部分建议。     

铁路隧道复合式衬砌作用效应统计特征分析

研究目的:作用效应的概率统计特征分析是隧道可靠性分析的重要内容之一,本文运用Monte-carlo随机有限元法对铁路隧道复合式衬砌进行计算,从抽样次数、分布特征及各参数对结果的敏感性方面展开分析,试图给出定性结论。研究结论:(1)在用Monte-carlo随机有限元法对隧道支护结构进行作用效应概率统计特征分析时,可以选择抽样1万次对随机变量进行模拟;(2)复合衬砌作用效应的变异系数和荷载的变异系数基本相当;(3)通过直方图和假设检验可以得到作用效应接受服从正态分布;(4)通过分析基本随机变量对作用效应影响程度可知,等效塌方高度是影响初期支护和二次衬砌轴力的最主要的因素,其次是材料的弹性模量和结构的厚度,而对偏心距影响最大的因素是弹性反力系数,在今后的工作中应该加强对围岩压力和弹性反力系数的研究;(5)该研究结果可为《铁路隧道设计规范》的修订提供理论依据。     

铁路隧道衬砌结构综合分项系数研究

应用可靠度理论制定设计规范是国内外结构设计发展的必然趋势。采用带有分项系数的实用设计表达式,不仅继承了传统结构设计式的形式,而且能体现结构设计对目标可靠指标的要求,还能被设计人员接受。以荷载结构模型为基础,考虑结构抗力的统计特征和荷载效应的不定性,提出铁路隧道衬砌结构设计所采用的实用设计表达式。采用设计验算点法,对不同时速铁路隧道通用参考图二次衬砌结构分析计算综合抗力分项系数和作用效应分项系数,并给出铁路隧道衬砌结构分项系数的推荐值。     

铁路隧道复合式衬砌极限状态设计研究

研究目的:随着我国隧道设计施工技术的不断发展,现行《铁路隧道设计规范》规定的极限状态设计法在实际应用中逐现不足,为更好地将可靠度理论应用于实践,本文以铁路隧道复合衬砌部颁通用图为研究对象,对铁路隧道复合式衬砌极限状态设计进行研究。研究结论:(1)建立了更具实用性的铁路隧道衬砌极限状态设计表达式,表达式中不直接含有基本变量的标准值、作用效应和抗力分项系数,但却体现了结构可靠性要求;(2)提出了新的分项系数优化原则与确定方法,并给出了相应的调整系数;(3)当结构自重分项系数取1.0、围岩压力分项系数取1.4时,各类型复合式衬砌的可靠指标与目标可靠指标取得良好的一致性;(4)该研究成果可直接指导铁路复合衬砌极限状态设计并为《铁路隧道设计规范》的修订提供依据。     

反应位移法和地震系数法在地铁隧道抗震中的对比分析

为更好地模拟计算地震对地铁隧道内力与变形的影响,本文结合具体算例,采用反应位移法和地震系数法分别计算了地铁隧道截面的组合内力与变形。通过对比分析2种方法的计算结果,发现反应位移法计算的内力与变形小于地震系数法计算的结果。二者在计算过程中考虑的因素不同,反应位移法主要考虑土层相对位移、结构惯性力和结构周围剪切力作用,地震系数法则是将随时间变化的地震力用等效的静地震荷载代替,然后用静力计算模型分析地震荷载作用下的结构内力与变形。     

铁路隧道衬砌结构分项系数的优化分析研究

研究目的:采用带有分项系数的实用设计表达式,不仅能继承传统结构设计式的形式,而且能体现结构设计对目标可靠指标的要求,是应用可靠指标衡量结构设计安全水平的重要途径。本文根据铁路隧道衬砌结构的受力特点和材料性能,采用混凝土衬砌结构抗压、混凝土衬砌结构抗裂和钢筋混凝土衬砌结构三种极限状态设计式建立"荷载-结构"模型。研究结论:利用Monte-Carlo随机有限元的方法分析铁路隧道衬砌结构作用效应的统计特征,根据材料特性分析抗力的概率统计特征以及计算可靠指标与目标可靠指标差值最小化的原则,分析得到:(1)铁路隧道衬砌结构检算时,围岩压力分项系数为1.4,自重荷载分项系数为1.2;(2)钢筋混凝土、混凝土抗压、混凝土抗裂三种工况下的调整系数分别为1.05、1.85、2.35;(3)该研究结果可为《铁路隧道设计规范》的修订提供理论依据。     

地下交通隧道开挖段纵向地震响应分析

为了探讨隧道的纵向地震响应特性,本文采用TDAPⅢ软件,结合反应位移法对日本一地下交通隧道A号线的开挖段进行纵向地震响应分析。通过建立合理的隧道模型,考虑土与隧道结构之间的相互作用,探讨了隧道中连接设计对地震响应的影响,得到了隧道结构的内力和变形。分析结果表明:在地震作用下,隧道结构剪力、连接弹簧剪切变形量及其张开量均未超过相应限值,而结构的弯矩在389 m处测点附近非常接近限值,应当将此处作为抗弯薄弱位置并加强该处的抗弯性能。     

铁路列车荷载对下穿盾构隧道结构的影响

以某盾构穿越铁路既有线为背景,采用地层结构法,通过有限元数值模拟,选取对地基加固与不加固两种情况计算铁路列车荷载对盾构隧道的附加动应力影响,然后采用荷载结构法对偏载模式下隧道结构的内力和管片配筋进行了计算分析。结果表明:铁路列车荷载对盾构隧道的附加动应力影响较大,使隧道结构内力增大。加大隧道管片结构的配筋量,对地基进行加固,可以减小附加动应力的影响,从而减小结构内力。     

铁路隧道洞门体系极限状态及可靠度研究

研究目的:铁路隧道洞门结构体系受力极为复杂,本文从结构可靠度理论出发,建立一套系统完善的铁路隧道洞门极限状态研究方法,为铁路隧道洞门的设计和规范转轨提供参考。研究结论:(1)铁路隧道洞门结构体系可靠度是串联系统,可通过失效概率或可靠指标进行度量,采用近似方法计算铁路隧道洞门结构的可靠度是一种有效而实用的途径;(2)提出铁路隧道洞门体系可靠度分析和计算方法,实现了铁路隧道洞门的可靠度分析计算,并通过实例进行了验证,通过对时速为140 km单线铁路隧道端墙式洞门的安全概率进行计算,其安全概率在99.22%以上,倾覆极限状态是隧道洞门结构失效主要控制模式;(3)本文提出的铁路隧道洞门极限状态设计方法,可直接指导铁路隧道洞门设计。     

成都地铁一号线盾构机下穿万福桥数值模拟分析

成都地铁一号线将穿越府河,地下水的存在会对盾构隧道产生重要影响,同时高水压下掘进隧道也会改变既有结构内力分布.选取盾构机过万福桥典型断面,采用三维数值模拟方法,针对考虑耦合效应和只考虑水压力的两种工况,分析了两种工况作用下管片衬砌的内力分布规律,并研究了盾构机掘进对桥梁结构的影响.研究表明考虑耦合效应的管片结构具有更不利的内力分布,盾构机在通过府河时需提前进行基础处理.     

软土隧道衬砌结构的可靠性设计方法

以可靠度理论为基础,对软土隧道预制混凝土管片衬砌结构的可靠性设计方法进行了初步探索,包括：软土隧道预制混凝土管片衬砌结构的失效模式与极限状态方程,土性参数、混凝土的力学性质、荷载效应等随机变量的统计分析,可靠度指标与分项系数的计算,以分项系数表示的设计表达式的提出等,以期对软土隧道的设计进入概率极限状态设计阶段起到抛砖引玉的作用。     

铁路硬岩隧道支护结构非线性分析

在某铁路隧道支护结构实测围岩压力的基础上 ,采用荷载—结构法对该隧道支护结构在实测围岩压力作用下进行非线性分析。并对隧道支护结构内力进行了分析 ,支护结构内力状态处于弹性工作状态 ,拱顶沉降计算结果与实测结果比较吻合 ,具有很高的安全度。     

大跨度铁路斜拉桥地震反应影响分析

针对大跨度铁路斜拉桥特点,结合桥梁结构体系及抗震措施,进行了行波效应、几何非线性、弹性连接刚度及阻尼器减震措施对结构的地震反应影响分析。分析表明:行波效应使主塔控制截面的内力约增大20%;考虑结构的初始内力引起的几何非线性影响后,结构的自振周期约增大3%,对主塔的地震反应影响较小,在设计中可以忽略其影响;塔、梁间的弹性约束刚度大小对结构的地震反应影响较大,其刚度取值为1.0×105k N/m左右时,结构的抗震性能较好;粘滞阻尼器对主塔控制截面的内力及塔顶位移具有显著的减震效果。     

铁路隧道衬砌结构内力的影响因素分析

以新建的200km时速双层集装箱运输的赣州至韶关铁路单线隧道衬砌断面为研究对象,借助数值模拟手段,得到了围岩压力百分比、弹性反力系数、二次衬砌厚度、浅埋隧道覆土厚度和偏压隧道地面坡对隧道衬砌内力的影响规律,其结果可为今后200km时速的铁路隧道衬砌设计和优化提供参考。     

液化场地地铁区间隧道抗震设计研究

借鉴建筑结构抗震设计理念及以往工程实践,总结了液化场地条件下地铁隧道抗震概念设计和构造设计的原则,并基于有限差分程序FLAC3D研究了地铁隧道与液化层处于不同相对位置关系时结构的动力反应,从而提出地铁隧道计算设计的抗液化处理原则。研究结果表明:当液化层位于地铁隧道拱顶附近及以上时,如不影响施工,可以不对液化层进行处理;液化层位于隧道拱腰及以上时,地层液化对结构内力及变形将产生一定影响,建议对该部分液化层进行加固处理;隧道周边土体全部为液化层时,地震时结构的内力和地层变形会大幅增加,必须对液化层进行加固处理。不论地铁隧道与液化层相对位置关系怎样,一般均应进行抗浮验算。     

大跨度钢管混凝土拱桥温度效应研究

为得到温度变化对钢管混凝土结构受力的影响,通过对结构施加相应的温度荷载,与结构自重作用下对主拱肋的内力情况进行比较,从而得出温度荷载对结构的受力影响情况,另外计算横梁与拱肋由于温度不同而在连接处的内力情况,得出温度荷载对结构的影响不能忽略,计算时应根据结构实际环境考虑相应的温度荷栽.     

基于ABAQUS的地质偏压隧道非线性接触分析

针对于山岭隧道常出现的,穿越倾斜产状的层状岩体,或多在隧道进出口处节理裂隙发育的情况,结合成兰铁路茂县隧道出口地段所处的地质偏压环境,应用ABAQUS有限元分析软件中的面-面接触单元,建立节理软弱结构面的二维隧道模型。并对地质偏压隧道的围岩压力及衬砌结构内力进行非线性接触分析和计算,初步得出单线铁路隧道在地质偏压情况下围岩和衬砌结构的位移、应力的分布特征,并讨论软弱结构面的摩擦系数对隧道偏压作用的影响,根据隧道受力特点提出隧道在地质偏压情况下可能采取的建议和措施。     

外水压力对渭河隧道下穿河谷段衬砌结构的影响研究

由于我国复杂的地形地质条件许多山岭隧道修建在地下水丰富的地区,但是目前铁路、公路隧道设计规范并未对衬砌承受水荷载的计算方法予以明确规定,隧道结构设计常采用全水压力或经验方法,导致设计不合理或过于保守。针对这种情况,本文以渭河隧道为工程背景,利用有限差分法对下穿河道的隧道进行流固耦合数值模拟分析,得出考虑外水压力时衬砌设计应采用的折减系数;同时,将考虑与不考虑外水压力条件下结构受力进行对比分析,得出了外水压力对隧道衬砌结构受力的影响,可供类似工程设计及施工参考。     

盾构隧道衬砌结构计算若干问题研究与探讨

研究目的:目前广泛应用的盾构隧道衬砌结构计算方法中,衬砌结构单元长度划分和衬砌单元四周约束弹簧的作用形式比较随意,将地面超载直接施加在衬砌结构上,忽略了地面超载在应力转变过程中的折减,因此需要提出明确的单元长度划分原则与弹簧作用方式,并根据地面超载的作用机理与影响程度,提出相应的理论计算方法。研究结论:(1)衬砌结构单元长度对结构内力计算结果影响不大,但相对精细的衬砌单元有利于得出更加准确的计算结果;(2)可采用水平向与竖向弹簧取代法向与切向弹簧,实现与地勘报告相对应的弹簧参数取值;(3)地面超载可根据松弛土压力或塌落拱高度折减,并提出了相应的荷载折减系数,指出了超载对衬砌内力的影响与其荷载水平正相关;(4)应根据局部超载作用范围及其与隧道间的相对位置关系,以及荷载在地层中的应力扩散角综合确定其对衬砌结构内力的具体影响,提出了不同范围局部超载作用下的衬砌结构附加荷载计算模型;(5)该研究结论可为正确的地下隧道工程结构计算模型与计算理念提供借鉴与指导。     

隧道下穿铁路时列车荷载在结构设计中的作用研究

以北京市引进陕甘宁天然气室内扩建工程圆明园调压站进出线隧道工程为背景 ,通过有限元计算 ,提出利用等效静荷载所得内力乘以动力系数替代列车动力作用的方法对隧道结构进行设计