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。     

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。     

基于概率论的支挡结构极限状态设计方法

研究目的:基于概率论的可靠度理论,是工程研究与工程设计的一种先进方法,但限于相关研究不足,我国现行铁路路基支挡设计规范尚未采用,开展基于概率论的支挡结构极限状态设计方法的研究十分必要。研究结论:(1)采用总安全系数法的传统支挡结构设计的可靠度未知,未考虑变量的不确定性带来的影响,潜在一定安全风险;(2)支挡结构极限状态设计方法研究的思路是建立极限状态方程→分析可靠指标→确定设计表达式中的分项系数;(3)应根据不同的工况确定目标可靠指标和极限状态设计表达式中的分项系数;(4)本文提出的基于概率论的支挡结构极限状态设计方法,可直接用于铁路路基支挡结构设计。     

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。     

基于极限状态法的桩板式挡土墙设计研究

研究目的:桩板式挡土墙是常用的支挡结构,桩板式挡土墙极限状态设计的研究,是为了考察现行规范设计下,该结构的安全度并给出锚固段极限状态设计表达式。本文通过对桩板式挡土墙研究思路的总结和主要计算结果的分析,为桩板式挡土墙极限状态设计提供参考。研究结论:(1)桩板式挡土墙极限状态设计研究步骤:建立极限状态方程→计算可靠指标并确定目标可靠指标→计算分项系数及建立设计表达式;(2)路肩式桩板墙可靠指标分析表明,可靠指标满足或接近公众需求;(3)桩板墙可参照现行《铁路路基支挡结构设计规范》进行设计,但高边坡路堤和路堑墙应采用较大的荷载分项系数,同时设计中应注意采取减小边坡土压力的措施;(4)提出了路肩式桩板墙锚固段计算的设计表达式及分项系数建议取值;(5)该研究结论可供路肩式桩板墙设计参考。     

支挡结构的可靠指标与分项系数关系研究

研究目的:从可靠指标的概念出发,探讨支挡结构可靠指标与分项系数在理论上的相互关系,并通过对支挡结构中几种典型的常用结构的可靠指标和分项系数的计算结果的分析,提出指导意见供规范修编参考。研究结论:(1)理论分析和实际计算结果显示,支挡结构安全系数或分项系数和可靠指标是正相关的;(2)可靠指标与支挡结构极限状态密切相关,对应不同的状态和安全预期,应采用不同分级的可靠指标;(3)基于系统工程的观点,为保持支挡结构处于同一可靠度水平,支挡结构设计检算中各分项系数应根据可靠度指标分析结果进行适当调整;(4)本文关于支挡结构可靠指标分级以及基于同一可靠度要求进行分项系数调整的观点,可直接用于指导支挡结构的设计。     

铁路隧道端墙式洞门整体式抗倾覆计算方法

研究目的:通过对铁路隧道端墙式洞门抗倾覆计算方法的分析,目的是提出隧道洞门整体式抗倾覆计算方法,为隧道洞门分析计算提供一种有效的途径和方法。研究结论:通过研究获得如下结论:(1)整体式抗倾覆计算方法考虑了洞门端墙的整体作用和衬砌对洞门端墙稳定的有利作用,符合实际情况,计算思路清晰,计算结果可靠,计算过程程序化程度高,便于广泛应用;(2)算例分析表明:与传统分条计算方法相比,整体式抗倾覆计算方法计算出的稳定系数提高17.2%左右,主动土压力合力作用点提高0.92 m;(3)隧道洞门计算分析中,推荐使用整体式计算方法或结构整体体系的理念进行分析计算,但目前研究尚未成熟,需要进一步分析论证。     

基于极限状态设计法的重力式挡墙设计研究

研究目的:重力式挡土墙极限状态设计的研究,是以墙身自重支撑侧向土压力的明挖基础支挡结构极限状态设计研究的基础。本文通过对重力式挡土墙研究思路的总结和主要计算结果的分析,为悬臂式挡土墙、扶壁式挡土墙、槽型挡土墙等明挖基础支挡结构设计研究提供参考。研究结论:(1)重力式挡土墙极限状态设计研究步骤:建立极限状态方程→计算可靠指标并确定目标可靠指标→计算分项系数及建立设计表达式;(2)影响重力式挡土墙极限状态的最关键因素是综合内摩擦角;(3)现行规范中重力式挡土墙不同的功能检算、不同设计状况,其隐含可靠指标不同,对应的分项系数也应不同;(4)研究结论可直接用于重力式挡土墙的设计,并为其他明挖基础支挡结构设计研究提供参考。     

铁路隧道钢筋混凝土衬砌结构可靠度分析

研究目的:针对现行《铁路隧道设计规范》中钢筋混凝土构件极限状态方程存在的不足,本文细分钢筋混凝土衬砌中钢筋的各种受力状态,并寻求更精确适用的功能函数及可靠度计算方法,为按可靠度理论修订《铁路隧道设计规范》提供参考。研究结论:(1)基于荷载-结构法模型,通过调研分析得出钢筋受力状态判断的界定方程,建立了适用于隧道钢筋混凝土衬砌结构的大、小偏心受压构件的功能函数及极限状态方程;(2)根据钢筋混凝土衬砌功能函数,应用JC法基本原理,通过分析推导提出一套钢筋混凝土衬砌结构可靠度分析方法,并在铁路隧道标准图衬砌可靠指标计算中得到成功验证;(3)本文提出的钢筋混凝土衬砌的功能函数及可靠度分析方法可直接指导铁路隧道钢筋混凝土衬砌设计。     

基于极限状态法的悬臂式挡土墙设计研究

研究目的:悬臂式挡土墙是国内外常用的支挡结构,悬臂式挡土墙极限状态设计的研究,是为了考察现行规范设计该墙型的安全度并给出外部稳定性检算的极限状态设计表达式。本文通过对悬臂式挡土墙研究思路的总结和主要计算结果的分析,为该类支挡结构的极限状态设计方法研究提供思路,为规范的修编提供依据,为土压力的进一步研究提供参考。研究结论:(1)悬臂式挡土墙极限状态设计研究步骤:建立极限状态方程→计算可靠指标并确定目标可靠指标→计算分项系数及建立设计表达式;(2)悬臂式挡土墙抗滑、抗倾覆和基底应力及构件强度等可靠指标分析表明,悬臂式挡土墙整体抗滑和构件裂缝控制设计;(3)悬臂式挡土墙抗动验算可采用本文推荐的设计表达式进行设计;(4)对于悬臂式挡土墙悬臂板的结构设计,分项系数应根据土压力计算进行调整;(5)该研究结论可供悬臂式挡土墙设计参考。     

铁路隧道衬砌目标可靠指标研究

研究目的:现行铁路隧道设计规范中概率极限状态法的适用范围局限于单线铁路隧道的整体式衬砌,而我国铁路隧道的现状是双线及大跨隧道越来越多,复合式衬砌已经广泛使用,因此现行规范中的概率极限状态法无法满足隧道工程设计需要。为拓展概率极限状态法在铁路隧道设计中的适用范围,便于开展国际交流,有必要开展铁路隧道概率极限状态设计方法研究,而结构目标可靠指标是应用概率极限状态的前提和基础。研究结论:研究表明:(1)现行铁路隧道复合式衬砌通用参考图可靠性水平较高,对于钢筋混凝土衬砌、素混凝土衬砌抗压及素混凝土衬砌抗裂三种极限状态下,其对应的可靠指标均值分别为4.27、13.71和7.48;(2)国内相近规范中在结构安全等级为二级的情况下,对于延性破坏状态其目标可靠指标变化范围为3.2~4.2,对于脆性破坏状态其目标可靠指标变化范围为3.7~4.7;(3)北欧国家的目标可靠指标不区分混凝土的延性破坏或脆性破坏,在结构安全等级为二级时,北欧国家规定设计目标可靠指标取4.26,而英国的CIRIA标准规定设计目标可靠指标取值3.71;(4)综合考虑参考图校准及国内外调研结果,提出我国铁路隧道衬砌承载能力极限状态目标可靠指标,对于延性破坏和脆性破坏两种情况:当安全等级为二级时,其对应的目标可靠指标分别为4.2和4.7,当安全等级为一级或三级时,对应的目标可靠指标分别提高或降低0.5;(5)本研究成果已经成功应用于《铁路隧道极限状态法暂行规范》。     

基于极限状态法的锚杆挡土墙设计研究

研究目的:锚杆挡土墙在高边坡工程中应用广泛,锚杆挡土墙极限状态设计的研究,是为了考察现行规范设计下,该结构的安全度并给出锚固段极限状态设计表达式。研究结论:(1)锚杆挡土墙极限状态设计研究步骤:建立极限状态方程→计算可靠指标并确定目标可靠指标→计算分项系数及建立设计表达式;(2)锚杆挡土墙可靠指标推荐值大部分满足公众需求,但边坡较高时,可靠指标偏低;(3)锚杆挡土墙设计可参照现行《铁路路基支挡结构设计规范》,当边坡较高时,建议适当增大荷载分项系数,并注意对边坡坡形的设计和加固;(4)该研究结论可供锚杆支挡结构设计参考。     

重力式挡土墙可靠度设计方法研究

研究目的：为《铁路路基支挡结构设计规范》按可靠度方法进行修订编制提供依据。 研究方法：采用理论研究、试验分析、计算统计以及校核分析相结合的方法。 研究结果：建立了重力式挡土墙基于可靠度理论的设计表达式；计算并统计了按现行规范设计的挡土墙可靠指标；推荐了目标可靠指标建议值、荷载分项系数和抗力分项系数参考值；提出了重力式挡土墙可靠度理论的设计原则和计算方法。 研究结论：选取的目标可靠指标能满足工程安全要求；按本课题提出的设计方法设计出的挡墙尺寸，与传统方式的计算结果接近；荷载分项系数的取值与美国规范相近。课题研究所提出的重力式挡墙设计公式、目标可靠指标及分项系数建议值，可作为《铁路路基支挡结构设计规范》修订的参考。     

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。     

边坡可靠性指标及敏感性因素分析

我国铁路规范拟从容许应力设计方法转轨采用极限状态法。论文的研究内容为铁路规范的转轨提供了部分研究结果,首先推导了路堑边坡极限状态方程及可靠度指标的计算公式,然后采用JC法,计算了边坡的可靠指标,基本正态分布在2.5左右,取可靠度指标为2.5,失效概率为0.62%。然后计算分析了土性参数中γ值、c值与φ值的变异性对可靠指标的影响,其中γ值和列车荷载的变异性对可靠指标的影响不大,c值与φ值的变异性对可靠指标的影响较大。     

铁路钢桥承载能力极限状态目标可靠指标研究

研究目的:以可靠度理论为基础的极限状态设计法是铁路工程结构设计规范发展的必然,而目标可靠指标是其重要组成部分,随着铁路事业的飞速发展,原有可靠指标校准值的基础条件部分发生了改变,这就需要结合新情况对铁路钢桥的承载能力目标可靠指标进行分析.研究结论:本文得到了新形势下铁路钢桥抗力统计参数,校准了铁路钢桥承载能力极限状态的...     

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。     

可靠性研究与铁路路基工程结构

研究目的:应用可靠度理论修订工程结构规范是国际上一种发展趋势,通过深入浅出的方式,概括该理论思路,举例说明可靠度理论的实质,并阐述铁路路基工程结构规范改制的意义。研究结论:铁路路基工程结构设计规范改制的目的是用量化的方式反应工程结构的可靠性。基于可靠度理论编制规范的过程可归纳为,建立极限状态方程、确定随机变量参数统计特征、求算现行规范隐含的可靠指标、确定目标可靠指标、提出分项系数、建立极限状态设计表达式。     

铁路钢板梁的承载力极限状态分析及抗力分项系数的确定

在研究无纵向加劲钢板梁极限承载力的基础上，本文研究纵向加劲铁路钢板梁在纯剪、纯剪和弯剪复合作用下的极限承载力，给出了计算公式。在计算可靠度指标的基础上，确定了抗力分项系数。按老规范的允许应力法和本文的极太态法分别对比设计了６片不同的钢板梁。结果表明，极限状态法设计的梁比允许应力法经济、合理可靠，本文成果已纳入新规范。