隧道振动响应研究进展

阐述铁路隧道振动产生原因和传播特点.从理论分析模型、隧道结构振动响应、隧道地基土振动响应、环境振动响应及减振措施等方面,综述铁路隧道振动问题研究的进展.认为目前研究中存在的主要问题是:计算模型不完善;缺乏对隧道结构长期动力特性的研究、对高速铁路隧道动力响应的试验研究;减振措施缺乏针对性.指出今后的研究工作重点应是:将材料损伤本构关系引入到隧道振动响应数值模型中,建立以轨道、隧道和围岩为一体的、考虑结构损伤在内的完整数值模型,并在此基础上分析研究隧道结构长期动力特性;针对高速铁路隧道开展现场测试、动力模型试验;采用数据分析与模拟试验相结合的方法,研究各工况的环境振动响应,提出针对不同地层和结构埋深的最优减振措施.     

高速铁路轨道结构理论研究进展

轨道结构安全服役的关键理论研究是确保我国大规模高速铁路路网高效运营的重大基础性工作,本文针对我国高速铁路轨道结构安全服役问题进行了综合论述,提出以高速道岔、无砟轨道、无缝线路三大关键轨道结构为研究对象,围绕环境因素与列车动荷载耦合、重复作用下工程结构与材料动态性能演化、高速铁路轨道结构损伤及累积变形、高速车辆系统与固定轨道结构的动态相互作用演变机制等关键问题,开展其动态性能演变及服役安全理论和工程技术方面的研究,以期为我国高速铁路轨道结构服役安全与高效维护提供基础理论和关键技术支撑。     

隧道衬砌弹塑性损伤模型建立与应用研究

研究目的:《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)虽然已经施行多年,但还未见有文献运用其中的混凝土损伤本构关系对工程结构进行数值模拟计算的实例,这无疑是工程设计领域的一种不足或缺陷。因此,通过理论推导建立动载长期作用隧道衬砌结构弹塑性损伤模型,并进行二次开发及损伤模型验证是必要的。研究结论:(1)根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)中建议的混凝土损伤本构关系方程,推导并建立了微分形式的拉、压损伤演化方程;(2)编写了混凝土弹塑性损伤本构模型的相应计算程序,并在有限差分软件FLAC3D软件平台上进行了二次开发及损伤模型验证;(3)采用开发的混凝土损伤模型对高速铁路隧道在不同行车速度和不同围岩级别下的动力响应进行了系统的分析计算,通过结构的损伤分布直观地了解衬砌结构的受力特点及损伤特性,明确结构的危险部位;(4)本研究成果可对动载长期作用下弹塑性损伤隧道设计提供指导。     

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。     

重载铁路隧道基底脱空条件下服役状态影响研究

隧道基底在重载列车动力荷载的长期循环作用下,将不可避免地出现累积损伤、疲劳破坏以及基底围岩脱空等现象.为了揭示重载铁路隧道基底脱空对仰拱结构的影响,采用数值模拟方法建立动载-隧道-围岩三维数值动力学模型,探明不同基底脱空状态下重载铁路隧道过车时基底结构的动力响应特征,并基于弯拉状态下的混凝土S-N曲线得到不同脱空状态下...     

一种高速铁路隧道预制装配式基底结构静动力响应分析

针对传统铁路隧道设计和施工的不足造成的铁路隧道底部病害,以实际在建工程项目为依托,提出一种针对高速铁路隧道的预制装配式新型隧道底部结构,采用有限元数值软件分析了拼装构件整体及榫槽与关键接触位置在施工期和运营期不同荷载工况条件下的静动力响应。结果表明:该隧底结构在施工期及运营期荷载作用下应力、应变及加速度均低于设计混凝土的承载能力,结构满足行车荷载条件。     

高烈度地震对填方隧道影响分析

本文以某隧道工程为实例,以数值模拟方法为手段,建立了隧道地震动力分析模型,对高烈度地震区施加地震荷载,对填方地基修建的隧道结构进行动力响应特征研究,探讨隧道不同衬砌厚度、覆土厚度及覆土形式等参数对隧道衬砌结构受力状态的影响。研究结果表明:在地震荷载作用下,衬砌厚度和覆土厚度对隧道各部位弯矩荷载值及剪力荷载值影响较大,特别是在衬砌底板与中墙连接部位影响显著;对于隧道上部的回填覆土,应尽量避免单侧覆土,必要时增加水平支撑改善隧道受力状态。     

隧道衬砌厚度不足对安全性能的影响

结合荷载结构法和有限元法,建立隧道衬砌多处厚度不足模型,设计多种工况研究Ⅲ,Ⅳ和Ⅴ级围岩隧道衬砌多处厚度不足对衬砌安全性能的影响规律。研究结果表明:当隧道衬砌多个部位存在厚度不足时,隧道整体的承载性能出现减弱,拱顶为隧道衬砌厚度不足最敏感的区域;拱顶衬砌与围岩分离形成脱空区时承担荷载减少,安全系数增加;由于结构、荷载以及缺陷部位均对称,对称部位的安全性能演变规律一致;隧道上部衬砌厚度不足对其他部位的承载特征影响比较小。     

高速列车荷载作用下无砟轨道-路基-地基精细化有限元模型与验证

高速列车荷载作用下无砟轨道-路基-地基的动力响应是高速铁路设计、施工和运维普遍关注的问题。为了较好地掌握高速列车荷载作用下的无砟轨道、路基以及地基各结构的动力响应,采用实体单元对无砟轨道结构、路基和地基进行建模,考虑扣件系统的5层垫片和弹条,以超弹性材料本构关系模拟橡胶垫片的大变形行为,以三维黏弹性静-动力统一人工边界模拟无限地基,以静动力顺序分析模拟路基和轨道的建造过程,以实测轮轨力模拟列车高速运行时产生的激励,构建高速列车荷载作用下无砟轨道-路基-地基精细化有限元模型,采用实测数据,从动位移、动应力和动应变三方面对模型进行验证。研究结果表明,所建模型间接地考虑了空气和轨道不平顺对高速运行列车荷载的影响,考虑了扣件系统多层垫片间接触压力的传递和扩散,能很好地模拟列车荷载作用下无砟轨道-路基-地基系统的动力响应,与实测结果吻合很好。高速列车荷载作用下基床表层的动应力小于20 kPa,动应变处于10με量级,表明路基处于小应变和弹性变形状态。该模型可用于深入研究高速列车荷载作用下无砟轨道-路基-地基的动力学行为,为高速铁路无砟轨道结构及路基设计、优化提供一种有效的计算分析手段。     

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。     

复杂地质大直径盾构隧道列车振动响应分析

对于高速铁路大直径盾构隧道,研究并讨论列车振动荷载对隧道结构安全性具有重大意义。以佛莞城际铁路狮子洋隧道工程为背景,基于ANSYS有限元方法,采用列车-轨道系统确定列车荷载后,计算不同工况下高速列车振动荷载对软硬不均地层大直径盾构隧道结构的影响,选取不同计算模型对比分析往复荷载作用下隧道地基累积变形的特征。计算表明:(1)双线同时有列车荷载作用时,产生的动力响应更为显著,且与两车间隔的时间有关,当间隔时间为振动周期的倍数时,振动效应最大;(2)较之主应力,列车振动对隧道位移和加速度的影响更加明显;(3)双线列车振动发生时间的偏差会引起响应的振动时程曲线产生约等于Δt的偏移现象,且振动幅值也会偏移,结构的动力响应与地层的动力响应(位移、加速度和主应力)存在相似的变化规律;(4)随着列车运行时间的累加,隧道基底土的累积塑性变形逐渐增大,但随着时间推移后期的增长速率明显减慢;(5)针对佛莞城际铁路狮子洋隧道,近东莞侧隧道基底以砂土为主,建议采用Anand J.Puppala模型进行累积塑性沉降计算;近广州侧隧道基底以淤泥为主,建议采用DingQing Li模型进行累积塑性沉降计算。     

考虑CA砂浆黏弹特征的轨道-路基动力响应分析

为探究轨道-路基结构的动力响应及结构存在损伤时对系统动力响应的影响,以速度350 km/h的高速铁路无砟轨道-路基结构为研究对象,建立无砟轨道-路基-地基大耦合的全尺寸三维数值模型,考虑CA砂浆黏弹特性与土体材料非线性,模拟轨道-路基系统在10 s动荷载作用下竖向动位移、动应力及动加速度的变化规律.研究结果表明:考虑C...     

高速铁路路基动力响应特征的正演数值仿真

为预测和分析高速列车在路基上行驶时产生的动态荷载、振动和冲击等影响因素,评估路基的稳定性和强度,提出高速铁路路基动力响应特征的正演数值仿真方法。采用实体单元模拟轨枕与钢轨,针对路基、路基本体以及道床设置三维一致粘弹性人工边界条件和三维一致粘弹性边界单元,构建高速铁路路基数值模型;在位移、加速度和应力等方面,结合车轮荷载分布函数,构建高速铁路路基动力响应函数,分析高速铁路路基动力响应特征,计算在不同深度、路基机床表层厚度和行车速度下产生的位移、加速度和应力值。仿真结果表明,应力、位移与加速度的变化没有明显规律,而应力与加速度衰减趋势较大,这种衰减趋势随深度增加逐渐减弱,基床表层厚度对位移产生的影响高于应力和加速度。     

移动荷载作用下地铁隧道结构和围岩真三维动力分析

构建精细化双线地铁轨道-隧道结构-围岩非线性耦合系统动力分析模型,以三维黏弹性静-动力统一人工边界模拟地基无限域,考虑材料非线性、接触非线性和隧道运营前的静应力状态,研究移动荷载作用下地铁隧道和围岩的动力行为。结果表明:荷载移动过程中,隧道衬砌周向不同位置均经历了多次加、卸载过程;衬砌的动应力水平较低但速率效应明显;受载钢轨附近位置的动应力响应规律性较强,较远位置的动应力响应无明显规律;受载钢轨正下方靠近衬砌处的土单元以受压为主,其动应力水平较低但速率效应较大;同一断面衬砌在不同时刻和同一时刻不同位置处断面受力状态不同,其轴力合力与合弯矩的变化不完全一致。     

气动荷载作用下高速铁路隧道衬砌结构的疲劳累积损伤及残余寿命计算方法

基于高速铁路隧道壁面气动荷载特征,考虑气动荷载之间相互作用以及列车通过隧道不同次数之间的影响,提出1种针对高速铁路隧道衬砌结构的疲劳累积损伤及残余寿命计算方法;依托京沪高铁德州—枣庄段某隧道工程,研究高速列车单次通过隧道后气动荷载持续周期数以及列车车速对衬砌结构疲劳损伤的影响,分析列车通过隧道次数与衬砌结构疲劳累积损伤及残余寿命之间的关系,判断隧道设计年限内气动荷载长期循环作用下衬砌结构的安全性。结果表明:衬砌结构疲劳累积损伤随气动荷载持续周期数增加而增加,随车速提高先增加后减小;列车多次通过隧道后,衬砌结构疲劳累积损伤随列车通过隧道次数增加而增加,残余寿命则逐渐减小;高速列车单次通过案例隧道诱发的衬砌结构疲劳损伤为25.6×10~(-12),在日开行209对的相同工况下,疲劳累积损伤每天为10.7×10~(-9),每年为3.9×10~(-6),100年(隧道设计年限内)为3.9×10~(-4),气动荷载长期循环作用下,完整衬砌结构在案例隧道设计年限内不会发生损伤破坏。     

我国高速铁路声屏障气动效应研究与探索

针对高速铁路声屏障的安全可靠性，从气动效应角度阐述其研究现状、研究成果及存在的挑战，并基于我国高速铁路声屏障应用场景，探讨列车脉动力的主要影响因素和声屏障结构的振动特性，结合技术标准中与气动效应相关的要求和规定，提出完善标准体系的相关建议，并对未来的重点研究方向进行展望。结果表明：列车脉动力受列车运行速度、列车车型及声屏障设置位置等因素的共同影响，列车脉动力与运行速度的平方基本服从线性关系；声屏障气动效应还与车头流线型、车体截面形状等列车气动性能参数相关，相同速度条件下不同车型的脉动力差异可达45%；在列车脉动力作用下，声屏障钢立柱以横向振动为主，呈现典型受弯构件的特征，而单元板以整体往复横向运动为主，振幅受安装状态的影响显著，声屏障动力性能评估重点为结构的低频振动；未来可结合声屏障结构振动特征和服役性能变化情况，深化声屏障气动荷载产生机理和动力分析方法的研究，探索声屏障服役性能演变机理和规律，完善声屏障结构安全性能检测评估体系，发展快速高效检测技术。     

高速列车动荷载作用下立体交叉铁路隧道动力响应研究

本文对列车动荷载一维正弦激振力模型进行修正,使其适合350km/h以上高速列车的模拟,并推广到三维模型计算中。以六沾线乌蒙山隧道与新梅花山隧道立体交叉工程为背景,通过数值模拟方法,对隧道立交结构进行列车荷载动力分析。在动力模拟中设定3种不同的立体交叉结构形式,分别为分修、半分修、合修结构,并研究这3种结构形式在列车动荷载作用下位移、加速度、内力的响应规律。分析结果表明,立交框架与挡头墙连接上下隧道的合修结构形式具有较高的安全储备。     

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。     

混凝土塑性损伤模型在无砟轨道非线性分析中的应用

为满足无砟轨道非线性损伤分析及长期服役性能研究的需求,基于混凝土塑性损伤本构理论和CA砂浆劈裂抗拉试验结果,建立可考虑无砟轨道各组成结构材料非线性损伤的有限元分析模型。主要考虑温度和列车荷载作用,对比分析塑性损伤模型与线弹性模型对计算结果的影响。结果表明:当无砟轨道结构的受力变形较小时,非线性塑性损伤模型与线弹性模型的计算结果相差不大;当无砟轨道升温幅度超过30℃、正温度梯度超过60℃/m或列车荷载大于225 kN时,两种模型的计算结果开始产生差异且随着荷载的增大而不断扩大。配筋的塑性损伤模型与现场实际结构和材料属性较为相符,可为无砟轨道非线性分析、塑性变形及损伤累积效应分析、长期服役性能研究等提供参考。     

时速400km高速铁路预应力混凝土简支梁竖向基频下限探讨

以24～40 m典型跨度简支梁为研究对象,通过有限元计算分析,确定不同跨度桥梁及不同列车荷载的简支梁容许动力系数.基于移动荷载列-桥梁动力仿真模型,探究列车移动荷载列形式、列车时速、简支梁跨度、竖向基频对梁体动力响应的影响规律.结合梁体振动加速度、容许动力系数和规范要求,确定时速400 km高速铁路预应力混凝土简支梁桥...