悬浮隧道动力响应分析方法及模拟的研究进展

为了明确悬浮隧道在水下环境及交通荷载作用下的受力行为,以及承受冲击、地震等极端荷载时亟待研究解决的动力问题,首先综述了波流环境中悬浮隧道管体、锚索构件动力响应、振动稳定性分析与锚索疲劳损伤评估等方面的研究进展,对比了几种锚索振动理论分析模型的差异;同时针对悬浮隧道在运营中可能面临的地震、极端波浪等偶然作用威胁,总结归纳了该方面结构振动研究的最新进展。分析结果表明:现有的动力分析理论模型基本采用将隧道管体、锚索分开讨论或者对两者耦合振动系统简化处理的方法,而对考虑车辆移动荷载作为外部激励时相互耦合的动力研究几乎未见,因此有必要在流体-悬浮隧道-车辆系统耦合振动方面展开研究;由于地震、冲击荷载等偶然作用导致结构振动的计算模型不够精确及缺乏试验数据,有必要建立多种特殊荷载和灾害作用下的多尺度动力响应理论模型并开展试验研究。     

不同形式荷载下沥青混凝土路面结构力学响应的对比分析

在分析车辆荷载作用下路面结构响应时,车辆荷载通常被简化为静止、振动和匀速移动3类形式.为了准确把握荷载不同简化形式下路面结构响应的差异,根据柔性路面的典型结构形式,建立了路面结构的离散元模型;采用离散元颗粒流软件,分别模拟了静止、振动和移动荷载对路面结构的作用,并对比分析了不同荷载形式下路面结构的力学响应.结果表明,静止、振动荷载只能反映移动荷载作用于路面结构后最大响应,亦即移动荷载越过路面结构某位置的瞬间,静止荷载响应与振动和移动荷载响应的峰值相当;静止、振动荷载不能反映移动荷载对路面结构引起的拉、压交替响应,以及车辆移动引起的路面结构内水平剪应力不同方向的两次作用.     

悬浮隧道结构动力响应研究进展与展望

悬浮隧道是未来峡湾跨越、深海通道等重大交通工程建设的重要方式。针对悬浮隧道建设的关键问题,综述近年来国内外悬浮隧道断面结构型式、管节结构动力响应、锚索涡激振动、悬浮隧道试验技术及悬浮隧道适应性等方面的研究进展,总结出悬浮隧道结构动力响应研究存在的关键问题,并对悬浮隧道进一步深入研究的方向进行展望。结果表明:1)在断面设计方面,耳形或椭圆形断面型式的悬浮隧道在复杂动水环境中稳定性好,但也需要综合考虑管节结构断面型式、浮重比与布置方式等因素; 2)在结构与锚索动力响应方面,现有研究方法以理论推导与数值模拟为主,模型试验技术相对薄弱,有必要开展环境荷载-交通荷载-悬浮隧道多荷载耦合下的模型试验,验证理论分析与数值模型; 3)在适用性方面,有必要在有条件的水域建设小型悬浮隧道对静态水域开展实体隧道研究,发现并解决问题,为复杂海况下大型悬浮隧道建设提供技术积累。     

列车荷载作用下立体交叉隧道的响应分析

以内昆铁路疏解线新梅花山隧道和六沾线乌蒙山隧道近距离立体交叉隧道为背景,研究列车运营期间,列车振动对隧道结构的影响。采用激振函数模拟列车竖向振动荷载,并通过对围岩-隧道体系进行模态分析,得到体系的振型和频率,以确定合理的阻尼系数和时间积分步长。最后运用Newmark隐式积分法,分别研究在各种列车荷载工况作用下,立体交叉隧道的动力响应,确定在列车振动荷载作用下衬砌结构的薄弱部位及相应的位移和应力。     

岩层隧道荷载结构响应影响因素分析

为探究岩层隧道各因素对管片荷载结构响应的影响规律,采用理论模型推导了岩层隧道外荷载与结构内力响应及位移响应的解析解。基于岩层隧道管片荷载结构特征,探究了上覆围岩荷载、水头高度、岩层侧压力系数、等效抗弯刚度系数、隧道直径、管片厚度以及混凝土等级等7个主要影响因素对管片荷载结构响应的影响规律;并结合成都市锦绣隧道现场监测试验进行了验证。研究发现：上覆围岩荷载增大与岩层侧压力系数的减小将显著增大管片内力与位移响应;水头增大对管片弯矩与径向位移的影响较小,将大幅增大管片轴力水平;等效抗弯刚度系数的增大不影响管片内力响应,但会使结构径向位移小幅减弱;隧道直径增大将导致管片弯矩、轴力与径向位移小幅增大;管片厚度对结构内力响应影响较小,厚度减小将使管片径向位移小幅增大;混凝土等级变化对隧道荷载结构响应影响细微。对比现场监测结果与模型计算结果,所得荷载结构响应规律相似,表明所提出的分析方法具有较高的准确性。     

地铁列车振动荷载引起的隧道动力响应分析

已开通运营地铁工程长期承受地铁列车振动荷载的影响,会造成地表不均匀沉降,管片结构附加应力增大,地表振动频率过大易出现城市环境振动污染,影响居民正常生活。以某运营城际铁路为工程依托,采用人工数定激振力函数模拟地铁列车振动荷载,建立了地铁列车振动荷载下隧道动力响应分析模型,对隧道管片结构弯矩及上部地层竖向位移进行监测分析,将地表竖向位移振动加速度换算为等效声级,结合城市环境振动标准,可知列车行驶过程中,地表振动环境污染符合城市环境振动标准规定的限值。     

参变管道系统在随机交通载荷下响应特征分析

研究了参变管道在随机交通荷载作用下的振动响应问题.利用摄动法表示了管道系统各参数的随机性,推导了管道在随机载荷下响应特性的计算表达式,并提出了一种简化求解算法;通过实例分析考察了管道系统参数变化以及交通荷载的随机性特征对管道响应的影响,从而证明了该方法对这类问题的适用性.     

移动荷载作用下悬浮隧道冲击系数影响因素研究

悬浮隧道是跨越水域的一种结构形式,不影响航运,可以全天候运营。主要展开了悬浮隧道车隧振动及冲击系数影响因素研究。选择了重力浮力比值、布索形式、锚索长度、荷载移动速度作为影响因素,建立了有限元模型展开车隧振动模拟。结果表明重浮比对自振频率与冲击系数的影响最大,荷载移动速度次之,布索形式和锚索长度产生的影响很小。随着重浮比的增大,结构自振频率与冲击系数减小,呈线性规律;随着荷载移动速度的增加,冲击系数非线性增加;水环境对分析结果影响很小。基于上述研究,通过引入悬浮隧道重浮比,在最后给出了不同荷载移速下悬浮隧道冲击系数计算公式。     

参变管道系统在随机交通载荷下响应特征分析

研究了参变管道在随机交通荷载作用下的振动响应问题。利用摄动法表示了管道系统各参数的随机性，推导了管道在随机载荷下响应特性的计算表达式，并提出了一种简化求解算法；通过实例分析考察了管道系、统参数变化以及交通荷载的随机性特征对管道响应的影响，从而证明了该方法对这类问题的适用性。     

移动荷载作用下钢桥面铺装层振动特性分析

为了分析移动荷载对钢桥面铺装体系的振动特性响应的影响,采用通用有限元软件ABAQUS将行车荷载简为均布移动荷载,建立含有路面铺装层的钢混桥梁上部结构三维有限元模型。通过改变车辆轴数、行车速度,来探究钢桥面铺装体系的垂向位移、横向拉应力、横向剪应力的变化趋势,并对比了静力荷载、单轴移动荷载和多轴移动荷载作用下的动态响应。大量的数值模拟结果表明,移动荷载作用下的垂向位移均大于静力荷载作用下的垂向位移,多轴移动荷载作用下的垂向位移具有叠加效果,多轴移动荷载作用下的垂向位移大于单轴,并且随着行车速度的提升,钢桥面的动态响应逐步增加。最后得出的结论对进一步分析钢混桥面铺装体系的动态响应提供理论参考价值。     

宁东铁路跨下伏输水隧洞的静动力计算及可行性分析

为了评价铁路修建的可行性及运营期间列车荷载对下伏输水隧道钢筋混凝土结构的安全性影响,开展了岩基-隧道钢筋混凝土结构的静动力计算研究,分析了移动列车荷载作用下岩基和衬砌的质点最大位移、最大主应力、振动位移和振动速度的变化规律。结果表明,列车移动荷载引起的岩基及衬砌结构的最大应力低于材料的容许应力;振动位移和振动速度时程曲线具有明显的三阶段特征,且同一列车速度时振动曲线特征点的对应时刻基本相当;振动位移的影响深度随列车速度的增加而增加,衰减完成的时间随列车速度的增加而减少。在输水隧洞上方修建铁路对其钢筋混凝土衬砌结构的安全性影响甚小,无需加固处理。     

移动荷载作用下公路隧道水泥路面结构力学分析

建立了公路隧道水泥混凝土路面结构的三维有限元分析模型,运用桥梁工程中影响线求法中移动布载方式模拟车辆荷载在路面上真实的运动情况。讨论了不同荷载速度、不同基层模量和基岩模量对轴载移动到板中时板顶最大竖向位移和板底最大拉应力的影响。通过比较动态荷载与静止荷载作用下板底拉应力值和板顶竖向位移值得出,对于公路隧道基岩强度比较大的情况,板底应力动载系数近似为0.5,路表弯沉动载系数近似为1.0。     

水中悬浮隧道研究进展

介绍了各国关于水中悬浮隧道的研究进展,主要包括:波浪和水流作用下水中悬浮隧道与流体相互作用的理论分析模型,波浪环境下水中悬浮隧道的锚固系统的涡激振动数值分析,地震激励下水中悬浮隧道的动力响应分析,水中悬浮隧道的结构问题,针对实际工程背景的波浪环境载荷下的模型试验及水流环境中水中悬浮隧道阻力系数、惯性力系数的试验研究。最后讨论了水中悬浮隧道尚需要进一步研究的问题:荷载的确定,结构分析和设计方法,针对性的模型试验,安全性研究等。     

移动荷载作用下沥青路面三维有限元分析

针对交通移动荷载引起的沥青路面结构破坏问题,采用竖向静载及移动荷载,利用三维有限元数值法对移动荷载作用下路面各结构层竖向位移和竖向应力分布规律与静力学响应进行了对比分析。结果表明,在移动荷载条件下,半刚性路面结构的竖向位移及竖向压应力较静载相比呈现不同程度的下降。     

荷载惯性对简支梁动态响应的影响研究

为研究荷载惯性对简支梁动态响应的影响,采用数值方法对某一截面形式固定、不同跨径的简支梁在移动荷载和移动质量两种加载方式下的动态响应情况进行计算。计算结果表明:文中利用MATLAB编写的程序可准确求解简支梁振动微分方程;通过数值计算可定量描述荷载惯性对简支梁动态响应的影响,进一步验证了在移速较小情况下荷载惯性力对简支梁影响较小的观点,具有一定的理论指导意义。     

非均布移动荷载下含表面裂缝路面结构应力响应

采用移动加载的动载模型,考虑轮胎花纹形式,选用非均布轮胎荷载模式,建立三维有限元路面结构模型分析了非均布移动荷载作用下含表面纵向和横向裂缝路面结构的应力响应,以探求移动荷载作用下表面裂缝的开裂机理.采用空间有限元——时间差分法对问题进行数值求解.分析过程中对裂缝尖端网格局部进行加密处理,并用位移法求取裂缝尖端的应力强度...     

移动荷载下粘弹性地基上无限大板的稳态响应

针对高速交通体系引起的结构与地基振动问题，采用移动荷载作用下Kelvin地基上的无限大板作为力学分析模型，分析了运动车辆荷载作用下路面体系的动力响应。首先采用三维Fourier变换法导出了板在任意匀速运动荷载作用下的稳态挠度的一般解，然后推导了各种移动荷载作用下板挠度的二维积分解析解，包括恒常和简谐移动矩形均布荷载、线均布荷载、集中荷载，最后采用自适应数值积分算法计算了板在移动集中恒载和移动矩形均布恒载作用下的挠度，比较了两种荷载作用下板挠度的异同。结果表明：上述两种荷载作用下板挠度的差异较小，可尝试将运动车辆作用于路面体系的荷载简化为移动集中荷载阵列考虑。     

基于快速拉格朗日的板式无砟轨道路基动力响应研究

将列车荷载简化为一激振力并作为等效轮轴荷载，运用FLAC3D内置的FISH语言编程实现列车荷载的定时、定点施加，从而模拟列车在轨道结构上的移动加载过程。以遂渝线板式无砟轨道路基结构为对象，建立三维动力分析模型，基于FLAC3D计算平台，利用编制的动力加载程序对轨道路基结构进行了动力响应计算，分析了列车移动荷载作用下路基各结构层的动位移、动应力响应特性以及动响应在路基深度范围内的衰减特性，并以基床表层为研究对象，着重考察了其刚度变化对路基动力响应的具体影响。     

参数变化对沥青混凝土路面结构动力响应的影响分析

为了分析路面结构参数变化对沥青混凝土路面结构动力响应的影响,采用有限元软件ABAQUS将汽车荷载简化为移动的均布荷载,用8节点等参元模拟路面结构,改变结构层厚度、弹性模量、泊松比等参数以及行车速度对路面结构进行动力分析.通过大量的数值模拟表明,路面各结构层厚度以及弹性模量的增加都会使路表最大弯沉减小,基层泊松比增大时路表最大弯沉呈增大趋势,其他结构层泊松比的增大则使路表最大弯沉呈减小趋势,且经过仿真发现车辆以90 km/h的速度通过时路表最大弯沉和上面层的最大拉应力均较小.     

水下非接触爆炸冲击作用下悬浮隧道动力响应

为了研究水中悬浮隧道在近场非接触爆炸荷载作用下的运动学及动力学行为规律,通过任意拉格朗日欧拉耦合算法处理流固耦合和强间断流场模拟问题,采用Jones-Wilkins-Lee （JWL）方程和Mie-Gruenisen状态方程分别模拟爆生气体和水的压力,并利用基于势流理论和边界元法的LS-DYNA有限元动力学程序实现上述问题求解计算,分析锚索支撑体系、炸药量和爆心距离对悬浮隧道结构位移、速度、加速度和应力的影响。结果表明：非接触爆炸冲击作用下,3种支撑体系的差异对悬浮隧道管段的位移、速度、加速度和应力影响较小,相同爆炸荷载作用下垂直支撑锚索的轴力远小于其他2种工况（组合支撑和倾斜支撑）,组合支撑体系和倾斜支撑体系比垂直支撑体系锚索轴力最大值要大296%和283%;管体的位移、速度和应力随着炸药量增加近似呈线性增加,加速度近似呈抛物线增加,200,500 kg炸药引起的管段跨中加速度比100 kg炸药引起的加速度大26.2%和223%,炸药量是影响悬浮隧道结构安全性的关键因素;管段位移、速度、加速度和应力随着爆心距增加而近似呈幂函数下降;与2 m爆心距相比,5,10,20 m工况时加速度峰值分别下降了73.2%、94.2%、97.5%;通过回归分析和拟合函数可计算满足结构安全的允许炸药量和安全距离,进而为非接触爆炸荷载作用下悬浮隧道的安全性评价提供依据。