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。     

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。     

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％.     

车辆动荷载作用下黄土地区浅埋综合管廊动力响应试验研究

近年来,为解决路面反复开挖、架空线网密集等问题,多地规划建设了城市综合管廊并取得一定的成效。由于城市综合管廊常布设于机动车道下方且埋深较浅,为揭示车辆动荷载作用下浅埋综合管廊及周围黄土路基的动力响应规律,设计制作1∶10的缩尺物理模型,采用半正弦波模拟不同强度的车辆动荷载来研究车辆动荷载作用下管廊结构及周围土体的加速度、土压力和应变的动态响应规律。试验结果表明,车辆动荷载作用下浅埋管廊结构的振动响应频率集中在76.62～110.76 Hz(对应原型10.72～15.51 Hz),车辆动荷载频率主要以低频为主。管廊顶板的加速度响应峰值分别是侧壁、底板的9.1和29.9倍(80 kN工况),且随着车辆动荷载强度的提高线性增长。车辆动荷载幅值超过80 kN(8.16 t轴重)后管廊顶与上覆盖土体间的动土压力作用响应显著增强,管廊侧壁与土体接触面上的动态土压力峰值约为顶板部位的39.8%～61.8%,而管廊底板与下部土体的接触压力变化幅度微弱。随着车辆动荷载强度的增大管廊顶板、侧壁的动态应变响应增幅明显,在顶板与侧壁掖角部位出现一定的应力集中现象,并表现出轻微的不对称变形特征,在城市浅埋综合管...     

南昌地铁4号线列车运行对南昌西站站房结构的振动影响

对南昌西站综合交通枢纽进行模型仿真,从时域和频域的角度分析南昌地铁4号线对该站的振动影响。研究南昌地铁4号线在不同行驶速度、不同隧道埋深下的振动传播规律及频率分布特点。研究结果表明,在地铁列车荷载作用下,南昌西站的振动幅值随着振源距离增大而减小,在地面距离轨道中心线24~36 m、60~72 m的区域出现振动放大区。车站不同结构层的振动频率分布特性基本一致,主要集中在0~60 Hz范围内。车站结构横向环境振动水平比竖向环境振动小,竖向振动响应与横向、纵向的振动响应频域分布较为一致。车站结构关键点出现最大振级的频率随着结构高度的增大逐渐向低频移动。     

移动荷载作用下轨道路基动力响应分析

基于层状梁和粘弹性半空间体理论建立轨道路基耦合动力分析模型;通过移动坐标和Fourier变换得到移动谐振点荷载作用下轨道路基稳态响应在波数域内的解;再利用快速Fourier逆变换,求出钢轨、轨枕位移及道碴路基的相互作用力在空间域内解。通过算例分析荷载速度对路基表面位移的影响,结果表明:随荷载速度增大,路基表面位移峰值也增大,在荷载速度较低范围内,其对路基位移峰值影响不大,当荷载速度接近Rayleigh波速时,路基位移峰值急剧增大;随着荷载速度的增大,路基竖向位移分布呈现出的“波动性”也越来越明显,其“波长”随荷载速度的增大而减小。     

地形偏压连拱隧道模型试验衬砌受力研究

运用相似理论分析模型材料的选择原则,设计了能进行围岩压力、位移、衬砌变位及竖向加压测试的平面应变模型试验装置。通过1∶20比例尺寸的模型试验对地形偏压作用下连拱隧道衬砌受力和拱顶沉降的分析,表明在不同荷载下左右洞室衬砌都受压力,随着隧道上覆荷载的增大而增大,左洞最大轴力值分布于仰拱和边墙的结合部位,右洞最大轴力值分布于靠近中墙的左拱腰;试验过程中,左右洞室有被压扁的趋势,连拱隧道整体向浅埋侧移位,浅埋侧和深埋侧围岩出现被动压力和主动压力作用。     

含空洞地层隧道动力响应解析解

为探究地震荷载作用下地层空洞对隧道地震动力响应影响规律,建立含空洞地层隧道理论计算模型。以工程波动理论为基础,采用波函数展开法和Fourier-Bessel级数变换,给出平面SV波入射下含空洞地层隧道动力响应的位移解析解。采用MIDAS/GTS有限元软件建立三维数值模型,通过对比分析解析解与数值解计算结果,验证该解析解的合理性,且具有较高的精度。应用该解析解计算方法,依据正交试验设计理论,考虑隧道埋深、空洞与隧道中心距、空洞半径和地震波入射角共4种影响因素,采用极差分析和方差分析方法,得到各因素对隧道位移影响的敏感性。研究结果表明：相同工况下解析解以及数值解得到的位移时程曲线变化规律基本相似,解析解位移幅值峰值与数值解位移幅值峰值相差9%左右;地震波入射角对隧道竖向位移起控制作用,为显著性影响因素;增加隧道埋深和减小空洞与隧道中心之间距离会导致隧道拱顶位移值增大;在动力荷载作用下,当空洞直径达到0.3倍的隧道跨度时,空洞能够对隧道起到减震消能作用。     

落石冲击拱形明洞结构作用力传递机理模型试验研究

通过改变落石质量、下落高度及明洞回填土厚度,利用缩尺模型试验分析了落石冲击点明洞横、纵断面结构不同部位的冲击压应力以及拱顶加速度。研究结果表明:作用于隧道明洞结构的冲击压应力及其分布范围随落石质量、下落高度的增大而增大;在靠近落石冲击点正下方一定区域内,压应力随回填土厚度的增大而减小,而在较远区域压应力则随回填土厚度先增大后减小;冲击压应力最大值位于拱顶冲击部位,并随着距拱顶冲击点距离的增大而减小;拱形明洞竖向加速度最大,其次是纵向,横向最小。     

黄土隧道基底区域围岩应力分布规律研究

为研究黄土隧道基底区域围岩压力的分布规律,采用数值方法建立三维有限元模型,用围岩应力等效围岩压力,分别考虑隧道不同施工方法、不同埋深的影响,从而得出隧道基底区域围岩压力在上述影响因素下的变化规律。分析可得台阶法基底围岩竖向应力值比其他施工方法小,CD法和CRD法在基底中线区域竖向应力值较大;在所研究的埋深范围内随隧道埋深的增加,其基底竖向应力值随之增大且埋深每增加10 m竖向应力增大系数在1.2~1.4等结论,为基底处理方案提供参考。     

高速铁路路基压实过程中的空间动力响应

依托京雄（北京—雄安）高速铁路路基工程,采用现场试验和数值模拟相结合的方法,分析了压路机振动荷载作用下高速铁路路基动力响应特性与演化规律。结果表明：压实过程中沿振动轮宽度方向轮缘下方土体竖向压应力较大,而振动轮中间部位竖向压应力较小且分布较为均匀;土体竖向加速度、速度沿深度方向或水平方向的衰减规律大致相似,竖向加速度的衰减呈现更明显的规律性;压路机激振力频率、激振力幅值、速度和土体弹性模量在不同参数水平下衰减规律相似,但衰减速度与影响深度不同。     

不同弹性扣件下钢轨振动仿真分析

建立一般弹性扣件、粘结板式弹性扣件和轨道减振器扣件下的轨道模型,用有限元法模拟分析列车移动荷载作用下,不同扣件刚度、不同行车速度时钢轨的振动和荷载的传递情况。计算结果表明,随着行车速度提高,钢轨振动加剧,扣件支反力增大;随着扣件刚度减小,钢轨振动增加,扣件支反力减小,冲击荷载传递减小。     

基于颗粒流的高填黄土减载明洞土拱效应分析

实际工程表明,在高填方明洞顶部铺设EPS板可以明显降低洞顶竖向土压力,然而,铺设EPS板会将明洞上方的土体荷载向其两侧土体转移,导致其侧墙所受水平土压力及弯矩增大。为了进一步减小明洞受力,提出一种新型减载明洞体系,利用颗粒流软件建立相应数值模型,从竖向、水平土压力、颗粒竖向位移、颗粒间接触力和孔隙率等细观层面研究该减载明洞的荷载传递机制。此外,基于该减载体系,分析EPS板距拱顶位置、宽度和填土压实度对明洞土拱效应的影响。研究结果表明:该减载体系可以扩大土拱效应的影响范围,同时减小洞顶与洞侧土压力;土拱效应的发展与洞顶土体孔隙率的变化相关,孔隙率随EPS板距拱顶距离的增加逐渐减小,土拱效应逐渐减弱,洞顶土压力逐渐增大;随EPS板宽度的增加先增大后减小,当EPS板宽度W=1.5D时,孔隙率达到最大值,土拱效应最强,洞顶荷载分布最少;填土压实度越大,柱土应力比越大,洞顶土压力越小。     

高速移动荷载作用对桥上轨道竖向动力特性的影响

以成灌铁路简支箱梁桥及轨道结构为背景,建立了移动荷载作用下桥梁轨道力学模型,推导了其竖向振动位移响应并编制计算程序,分析了荷载移动特性对桥上轨道竖向振动位移特性的影响。计算单个荷载以不同速度通过轨道时的竖向位移变化,得出即使没有轨道不平顺影响,高速移动荷载作用仍然会引起桥上轨道竖向振动,且振动频率与速度有关;与静荷载作用相比,轨道的竖向振动振幅大大增加,就成灌铁路而言,竖向位移最大值出现在速度350 km/h时。研究结果对深入了解高速列车通过桥上轨道时的动力特性有重要指导意义。     

地铁列车运行振动对环境影响因素的参数分析

采用4因素3水平正交设计的试验方法,基于解析的车轨耦合模型的动力学方法计算列车荷载,并建立三维动力有限元数值模型,讨论了不同影响因素(轨面埋深、扣件型式、行车速度、隧道型式)对地表振动影响的显著性程度,并分析地表响应特性及振动传播规律。结果表明:垂向振动是主要动力响应,且存在着传播较远的长周期含量,是低频振动的重要贡献;正交试验参数影响的显著性程度上,轨面埋深和扣件型式最显著,其次为行车速度和隧道型式,因此应在埋深因素影响阈值范围内尽量选择深埋,并选择合理的扣件以减少振动;地表振动随距离的增加逐渐衰减,30 Hz以上的频率分量振动衰减梯度较高,反映出土层的阻尼和滤波作用,衰减曲线并非单调递减,有一定起伏。     

地铁隧道不同轨道结构形式对建筑物减振的仿真分析

建立隧道-土层-某建筑物的二维有限元模型,分别施加整体道床和钢弹簧浮置板道床区段的实测边墙竖向加速度,计算出不同轨道结构形式下建筑物的振动响应.计算结果表明,埋深相同时钢弹簧浮置板道床相对于整体道床可使邻近建筑物竖向振动加速度减小约80%;采用整体道床时邻近建筑的竖向振动加速度随隧道埋深增大迅速减小,而采用钢弹簧浮置板道床时建筑竖向振动加速度随埋深增大减小缓慢.     

爆炸荷载作用下交叉式人防隧道动力响应研究

对于位于地下空间的人防结构，其安全问题至关重要。当地面发生巨大爆炸时，产生的冲击波势必会对地下结构产生一定影响。为研究地下人防结构在爆炸荷载作用下的动力响应，依托某地下人防工程，借助ANSYS/LS-DYNA软件，对地下交叉式人防隧道在土中爆炸冲击荷载下的响应进行数值模拟，分析冲击波在土中的传播规律及人防结构位移、应力等力学响应，以期为地下人防工程爆破施工与安全防护提供参考。结果表明：爆炸荷载作用下，拱顶位置最早出现振动响应，在结构同一断面拱顶振速曲线峰值明显高于拱腰振速曲线峰值，边墙次之，拱脚处最低；随爆心距增大，衬砌结构振速峰值与最大拉压应力均随之减少，且拱顶部位最易受顶部爆炸荷载作用影响，在实际设计与施工中应予以重视。     

浅埋软岩隧道围岩变形的分形结构分析

运用分形理论,对湖南省张家界市长茂山铁路隧道开挖过程中围岩的变形特征进行了分析。结果表明:软岩隧道围岩变形在时间上具有分形特征,并且表现出很好的自相似性;在相同埋深条件下隧道拱顶变形量的时间分形维数最大,拱肩次之,边墙最小;当隧道埋深≤14 m时隧道拱顶变形量的时间分形维数具有随埋深的增大而线性增加的趋势;当埋深14 m时隧道拱顶变形量的时间分形维数趋于稳定,受埋深的影响很小。     

下穿高速铁路浅埋盾构隧道管片动力响应特征分析

以广州地铁9号线下穿武广高速铁路为工程案例,采用ABAQUS建立隧道-地层-路基三维耦合有限元分析模型,通过施加简化后的高速铁路列车振动荷载,研究了不同埋深条件下盾构管片和螺栓的动力响应。结果表明:随着埋深的增加管片最大主应力先减小后增大,埋深7 m时管片最大主应力最小,约为1.21 MPa;列车振动荷载作用下隧道拱底为受力最不利位置,且环向螺栓的最大主应力峰值远小于纵向螺栓;随着埋深增加拱底纵向连接螺栓的最大主应力峰值由30.35 MPa减小至13.86 MPa,远小于螺栓的屈服强度。     

围岩空洞对重载铁路隧道动力稳定性的影响

以浩吉铁路万荣隧道为研究对象,基于围岩拱部空洞的各类参数(长度、高度、分布范围),对隧道动力响应特性、隧道衬砌应力等进行研究。在分析列车动力荷载的施加机理与施加方法的基础上,建立车辆-轨道-隧道动力有限元模型,计算在列车荷载的作用下,不同的空洞参数对隧道位移、加速度、衬砌主应力等方面的影响。研究表明,空洞加剧了隧道各部位的振动响应,其中拱顶的动力响应变化最大,空洞高度从0增大到20 cm时,拱顶的位移峰值增大了近3倍,而仰拱部位位移最小;空洞也改变了衬砌混凝土的受力状态(由受压变为受拉),这对于混凝土材料极为不利;随着空洞范围的不断增大,动力荷载对拱顶的影响加剧,拱顶的加速度峰值由无空洞状态的1.62 m/s^-2增加到3.49 m/s^-2,此时结构已处于不稳定状态。