高速铁路隧道线路底部结构累积疲劳损伤特性分析

利用侧向双轴拉-压疲劳损伤力学模型,建立隧道线路底部结构疲劳寿命分析方法。基于MIDAS GTS NX三维有限元分析平台,以武广高速铁路某双线隧道线路结构为研究对象,建立围岩-隧道衬砌结构-线路底部结构动力相互作用分析模型,研究隧道线路底部结构轨道板、混凝土支承层以及仰拱填充层动力响应特征与疲劳损伤寿命。研究结果表明,高速列车振动荷载在隧道线路底部结构内产生的动应力属于侧向双轴拉-压应力状态;隧道线路普通段底部结构疲劳寿命主要取决于轨道板,其疲劳寿命满足设计使用年限要求,而隧道端部线路底部结构的疲劳寿命则同时取决于轨道板和仰拱填充层,其疲劳寿命均少于60 a,达不到线路设计使用年限要求;隧道端部线路底部结构是隧道使用寿命设计的关键性控制因素。     

轴重30t重载列车作用下新黄土区隧道适应性及强化措施研究

以在建的蒙华铁路典型隧道结构型式为基础,针对新黄土区重载铁路隧道结构动力响应、疲劳寿命以及合理强化措施等问题,采用数值模拟的方法进行研究。结果表明:随着轴重和运量的增加,既有铁路隧道无法满足30 t轴重列车长期安全运营的要求,应采取强化措施。而单一的系统锚杆注浆加固强化能力有限,须采用系统锚杆与隧底地基加固(加固深度4 m及其以上)的联合强化措施方能满足其疲劳寿命要求。通过研究,指出30 t轴重列车荷载作用下隧底结构疲劳易损位置,即二次衬砌仰拱中心、初期支护仰拱与边墙连接处,并得到满足100 a设计使用年限,新黄土区隧道二次衬砌、初期支护混凝土结构在轴重30 t列车荷载作用下的疲劳上限强度,分别为1.30和1.62 MPa,可为设计参考。     

列车循环荷载下交叠隧道结构疲劳寿命预测分析

基于南京地铁某双线四孔交叠隧道节点,建立了四孔交叠隧道-土体系统动力计算模型,分析列车循环荷载下隧道结构动力响应,基于Miner线性累积损伤理论与FE-SAFE疲劳寿命计算软件,研究交叠隧道结构疲劳寿命,探讨列车运行速度、交叠隧道净距对交叠隧道疲劳寿命的影响.研究结果表明:四孔交叠隧道具有动力放大效应,疲劳寿命薄弱点为四孔交叠隧道中心处;距离四孔交叠隧道交叠区2倍隧道直径以外的区域动力放大效应明显衰退,对结构疲劳寿命影响已不大,定义为非交叠区;定义疲劳寿命折减系数η为交叠区最短疲劳寿命与非交叠区疲劳寿命的比值,列车行驶速度越低或交叠隧道净距越大,则η越大.     

CRTS-I型板式无砟轨道疲劳寿命研究

为研究无砟轨道在列车荷载和环境温度共同作用下的疲劳特性,以CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道为研究对象,建立弹性地基梁-体模型,计算出列车荷载和温度梯度作用下轨道结构的垂向最大应力,并结合普通混凝土结构S-N曲线的疲劳寿命分析方程和CA砂浆在不同温度时的疲劳方程,预测了CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道各结构层在规定服役年限内的疲劳寿命。计算表明,对于有限的作用次数,CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道各结构层受到的最大应力均未超过相应的混凝土强度值。根据各结构层最大应力预测出的相应疲劳寿命表明,CA砂浆在25~30年后将出现疲劳损伤,而在规定年限60年内,CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道其他结构层不会出现疲劳损伤,能达到客运专线服役期内的要求。     

高速铁路隧道壁面气动荷载研究现状与趋势分析

高速铁路隧道壁面气动荷载是隧道结构破坏的主要诱因之一,了解并掌握其特征对高速铁路隧道结构设计与安全营运具有重要的理论意义与工程价值。通过论述高速铁路隧道壁面气动荷载特征与现场实车测试、动模型试验以及数值仿真模拟三种研究手段的技术现状与未来发展趋势。总结归纳得出:(1)列车驶入隧道前,壁面气动荷载峰值小、持续时间短;列车在隧道内行驶时,壁面气动荷载表现为正负峰值不等的不规则变化规律;列车车尾驶出隧道后,气动荷载表现为周期性正负峰值交替的衰减规律。(2)三维光纤贴壁线性布置技术利于实现隧道全断面、全长测点布置,且具有重复利用率高,试验费用低、工作量少等优点,可作为现场实车测试过程中数据采集系统的一个重要比选方案,电机控制能进一步提高模型列车运行速度的控制精度,可作为未来动模型试验系统动力控制的优选技术之一。     

高速铁路插板式声屏障结构计算分析

根据高速铁路声屏障受力特点,分析确定作用于高速铁路声屏障的荷载。特别是针对高速铁路列车大密度、长期运行声屏障结构疲劳问题,声屏障结构所承受的主要荷载是列车高速运行时产生的脉动力,是动荷载,结构存在着疲劳问题,疲劳计算按50年使用年限计算,对连接件螺栓的疲劳按材料的疲劳极限应力控制。研究确定高速铁路声屏障结构疲劳计算方法,并给出能够抵抗疲劳的声屏障结构与桥梁遮板的连接方式,是保证整体结构安全的最重要问题。     

既有铁路混凝土桥运营重载列车后疲劳损伤分析及寿命评估

针对我国铁路对重载运输的需求,制定了重载疲劳列车的机车、车辆模式,采用有限元软件STAAD/PRO进行建模分析,得到重载疲劳列车经过桥梁时跨中的弯矩时程曲线;采用自编雨流程序,得到了弯矩谱。提出了基于荷载的简化疲劳损伤分析方法,对跨度为1~100 m的桥梁在26.5 t轴重重载列车作用下疲劳损伤度的增加及疲劳寿命的折减进行了计算。以4 m和8 m普通钢筋混凝土桥梁为例,对其疲劳寿命进行评估,根据Miner线性累积损伤法则,得到这2种跨度桥梁运营重载列车后的疲劳寿命。     

砂层隧道列车振动响应与地基累积变形研究

采用动力有限元数值计算方法,对列车荷载作用下狮子洋隧道典型砂层段的动力响应进行计算分析。进一步借鉴路基累积变形计算方法,对列车长期荷载作用下隧道基底砂层累积变形计算方法进行探讨。狮子洋隧道基底砂层段孔隙水压力消散较快,基底土层实际动应力比小于其临界动应力比,隧道基底砂层不会由于列车长期运营而产生局部液化破坏;在列车荷载作用下,隧道衬砌结构中应力、位移均变化不大,隧道结构在列车运营荷载作用下处于安全状态;在列车长期运营荷载作用下,隧道基底砂层累积塑性变形小于25mm,隧道基底地基土累积塑性变形不会对列车长期运营造成破坏性影响。     

地铁列车振动荷载对下叠并行新建城际铁路盾构隧道的动力响应分析

以新建佛莞城际铁路盾构隧道与广州地铁3号线明挖段矩形隧道交叠并行工程为依托,研究地铁列车通过明挖隧道时产生的振动荷载对下部新建盾构隧道衬砌结构的动力响应,并对不同列车振动荷载下新建盾构隧道衬砌结构的动应力进行了分析.使用激振力函数法模拟地铁列车振动荷载,选取下部新建盾构隧道典型监测断面的监测点来研究在地铁列车振动荷载作用下衬砌结构的振动加速度、应力和竖向位移响应特性.结果 表明:轨道结构质量越差,列车运行速度越快,车体质量越大,列车振动荷载的幅值也相应增大;在地铁列车振动荷载作用下新建盾构隧道衬砌结构存在着明显的动力影响区;新建盾构隧道衬砌管片竖向位移曲线呈"W"形,且拱顶处的竖向位移幅值最大;随着地铁列车运行速度加快,新建盾构隧道的竖向沉降亦随之增大,地铁列车运行速度每增加30 km/h,隧道衬砌结构的竖向沉降平均增加2.66％.     

高铁隧道衬砌缺陷气动荷载影响研究

随着高铁列车运行速度的提高,气动荷载成为隧道结构重要的附加荷载,尤其是素混凝土二次衬砌存在初始缺陷时,气动荷载将对衬砌安全有较大影响。针对素混凝土二次衬砌存在初始裂纹和厚度不足缺陷的情况,分别采用基于断裂力学的数值流形方法和基于荷载-结构模型有限元法,对2种衬砌缺陷在气动荷载作用下的影响开展研究。研究结果表明：隧道素混凝土二次衬砌存在初始缺陷时,气动荷载对缺陷部位的耐久性和长期稳定性有很大影响;隧道衬砌存在裂纹时,在气动荷载作用下,裂纹尖端应力强度因子增大150%以上;衬砌厚度不足时,在气动荷载作用下,缺陷部位拉应力增大54%,衬砌处于“拉-压”循环受力状态。研究结果可为高铁隧道素混凝土结构的长期稳定性及耐久性设计提供参考。     

高速铁路隧道拱顶二次衬砌背后存在空洞时气动荷载对其的影响

为了探索隧道拱顶二次衬砌背后不同范围内存在空洞条件下高速列车气动荷载对隧道二次衬砌结构的影响,采用隧道空气动力学的流体力学分析方法及结构力学分析方法,对二次衬砌结构的受力进行研究。研究结果表明:在气动荷载作用下,隧道二次衬砌结构处于"拉—压"的循环受力状态中;在隧道拱顶二次衬砌背后存在空洞时,衬砌结构上产生的瞬态应力变化规律与其受到的气动荷载变化规律一致,当列车运行速度为350km·h-1时,二次衬砌结构上产生的最大瞬态应力是同一时刻气动荷载的约39倍;在最大正峰值气动荷载作用下,随着拱顶二次衬砌背后空洞范围的增大,拉应力范围逐渐变小,拉应力值先增大后减小;在最大负峰值气动荷载作用下,隧道拱顶二次衬砌第一主应力仅有压应力而无拉应力作用,而且随着拱顶二次衬砌背后空洞范围的增大,二次衬砌受压区的范围逐渐变小,压应力值先增大后减小;二次衬砌结构上产生的最大应力绝对值随着列车运行速度的提高而增大,且与列车运行速度的平方成二次函数关系。     

高速磁浮单线隧道车体压力载荷特征

高速磁浮列车通过隧道过程中将引起剧烈的压力波动,造成司乘人员耳感舒适性、车体及其零部件、隧道衬砌及辅助设施的气动疲劳寿命问题,有必要对磁浮列车高速通过隧道时压力波效应进行研究。采用一维可压缩非定常不等熵流动模型和广义黎曼变量特征线法对单列车通过隧道时车体压力载荷进行数值模拟研究,初步揭示隧道长度、列车速度、阻塞比对车外压力波的影响规律;得出时速500~600 km/h速度下基于最大正负值和最大压力峰峰值的最不利隧道长度;论证了列车通过隧道产生的压力波幅值与列车速度平方成正比的适用范围,总结了压力最值与速度的拟合关系式。本文研究方法和结果可为车体设计选用气动载荷提供参考依据。     

高速铁路和地铁近距离平行隧道动力响应分析

针对目前国内存在的高速铁路与地铁近距离平行隧道工程,采用拟合的列车振动荷载,通过在轮轨上施加实测振动荷载,同时对列车施加速度场的方式,分析了在高铁列车单独行驶、高铁列车和地铁列车同向行驶及相向行驶3种工况下平行隧道衬砌拱腰、拱脚及道床中心的动力响应特性及其相互关系。结果表明:在列车行驶过程中,列车距离监测点越近,其振动效应越强;在同一横截面上,高速铁路隧道道床中心的动力响应最大,拱脚次之,拱腰最小;高速铁路隧道衬砌动力响应在高铁列车单独行驶时最小,高铁列车与地铁列车同向行驶时次之,高铁列车与地铁列车相向行驶时最大。     

列车荷载作用下平行钢丝拉索疲劳寿命评估

为研究列车荷载下平行钢丝拉索疲劳寿命,利用斜拉索内平行钢丝的疲劳寿命模型,基于Miner线性疲劳累积损伤准则推导了平行钢丝拉索任意一根钢丝疲劳破坏所经历的循环次数,采用Monte-Carlo方法模拟斜拉桥疲劳寿命的概率分布.以一座现役大跨径斜拉桥为背景工程,分别建立了有91根钢丝的普通拉索疲劳寿命模型和有109根钢丝的...     

不同类型列车撞击盾构隧道动力响应研究

研究目的:盾构隧道为装配式管片衬砌结构,其整体稳定性相对较差,防撞能力较弱,一旦列车撞击事故发生在隧道内,列车的撞击荷载极有可能导致隧道破坏和失稳。本文基于H. H. T时间积分法,通过构建列车-刚性墙动力耦合模型,获取不同类型列车在相应速度区间内的撞击荷载时程曲线,研究不同类型列车撞击的荷载特性,并将所得撞击荷载施加在盾构隧道上,以揭示在不同类型列车撞击作用下盾构隧道管片衬砌破坏特性及其差异性。研究结论:(1)列车运行速度对于撞击荷载时程曲线变化趋势影响不大,但对于撞击荷载大小和撞击持续时间影响显著;(2)各类型列车的撞击荷载均经过撞击瞬间迅速增大、撞击中期持续震荡、末期逐渐减弱三个阶段,但不同类型列车的撞击荷载在撞击中期持续震荡时间不完全一致;(3)列车撞击作用下管片损伤区域分布范围呈现纵向大于环向的特点,不同类型列车撞击所致管片损伤的差异性主要体现在压缩损伤面积上;(4)在不同类型列车撞击荷载作用下管片结构将产生不同程度的张开和错动,并且管片接缝部位最大张开量和最大错动量均已超过工程容许限值;(5)本研究成果可为盾构隧道防撞优化设计和撞后隧道结构安全性评估提供参考。     

基于KENTRACK的铁路沥青混凝土底砟层疲劳特性评价

重复动载疲劳损伤是沥青混凝土底砟层的破坏形式之一。本文建立了沥青混凝土底砟层的三维有限元分析模型,分析其在列车荷载作用下的受力变形特性。采用KENTRACK设计方法分析了沥青混凝土底砟层的疲劳寿命。结果表明:沥青混凝土底砟层等厚度替代基床表层的路基结构形式在列车荷载作用下基床表层的竖向动变形和振动加速度明显减小;沥青混凝土底砟层的层底拉应变在10×10^-6~90×10^-6,处于较低水平;沥青混凝土底砟层具有良好的疲劳耐久性,可用于工程实践。     

高速列车荷载作用下仰拱对隧道整体动力特性的影响分析

仰拱作为隧道衬砌的重要组成部分，其设置对改善隧道结构受力状况，提高隧道结构的整体稳定性都非常重要。但在列车激振荷载作用下，仰拱在隧道整体结构中所发挥的作用还需要进一步研究。通过数值分析方法，从动力学角度，对仰拱在高速铁路隧道列车振动响应中的作用和影响进行了探讨。比较了不同仰拱形式下隧道结构各控制点的动力学特性及衬砌和围岩受力特性，为隧道仰拱设置中综合考虑动静力影响提供一定的参考。     

隧道结构内列车风荷载下接触网系统的风致振动响应

以高速铁路隧道内接触网为研究对象,建立列车-隧道结构-接触网系统-空气的流固耦合计算模型,分析高速铁路隧道内列车风荷载下接触网系统的振动响应特性。研究结果表明:列车风荷载作用下接触网系统振型主要表现为,以沿着隧道纵向的前后摆动为主,左右摆动和扭转为辅;接触网系统的动位移和加速度的振动时间与振幅均与列车风相一致,即在列车风出现时接触网开始出现振动,车头达到时风速开始加大,振动位移、速度和加速度同步增大,在车尾经过时达到最大值,各方向分量的振动幅度大小顺序为:纵向分量横向分量竖向分量;衬砌的振动响应特性与接触网类似,但动位移的主频和振幅相对较少。研究结果可为高速铁路隧道内接触网的设计和施工提供参考。     

速度300 km/h列车振动荷载下隧道衬砌加速度响应规律分析

通过现场试验和有限元数值模型计算的方式,对衬砌在速度300 km/h列车荷载作用下的加速度响应规律进行了研究,经过高速铁路隧道现场衬砌振动测试和数值模型计算结果对比,验证了衬砌动力计算模型的正确性和可靠性;振动荷载在衬砌拱圈中的竖向振动加速度由墙角向拱顶呈下降趋势,拱圈横向振动加速度则呈现由墙角到拱顶先下降后增大的趋势,横向和竖向加速度的绝对值在接近列车侧均明显大于远离列车侧;证实了动车组列车轮对二阶固有频率对隧道衬砌拱圈振动加速度响应频率有较大影响;拟合得到了速度300 km/h列车作用下隧道衬砌拱圈横向和竖向振动响应加速度传递经验的三角函数公式。研究结果可为后续隧道衬砌在列车荷载作用下振动响应机制的研究提供参考。     

考虑水荷载作用的铁路隧道衬砌结构设计

采用室内模型试验方法,通过改变围岩注浆圈模拟介质的渗透系数,进行10组铁路隧道衬砌结构的水荷载折减系数测试试验,研究水荷载折减系数与注浆圈综合渗透系数的关系。试验结果表明,当围岩注浆圈渗透系数小于10-5cm.s-1时,水荷载折减系数取0~0.3为宜;反之,取值为0.3~1。按考虑水荷载和不考虑水荷载两种受力模式对隧道衬砌结构进行计算分析结果表明,存在较大水荷载作用的隧道衬砌结构设计不宜套用标准图,建议采用钢筋混凝土圆形衬砌结构。