考虑随机裂隙的高寒隧道温度场和保温层研究

研究目的:为进一步探究温度场的变化规律和保温层敷设厚度问题,以2022年冬奥会重大交通保障项目金家庄特长螺旋隧道为依托,通过现场实测、理论分析和COMSOL数值模拟相结合的方法,建立隧道围岩区的随机裂隙模型,研究孔隙率、渗透率、随机裂隙孔径和水头对温度场的影响,并基于温度场进一步对比解析解和数值模拟的保温层设计厚度。研究结论:(1)径向温度值及其变化速率随围岩孔隙率和渗透率的增大表现为增大趋势,随着随机裂隙孔径和下边界水头的增大,径向温度值表现为增大,变化速率则表现为减小的趋势,孔隙率对温度场影响最大,渗透率对温度场影响最小,径向温度分布规律可用Asymptotic1模型表示;(2)由于随机裂隙和渗流的影响,衬砌和围岩接触面的温度值不完全对称,但总体表现为从拱顶到仰拱逐渐升高;(3)孔隙率和渗透率对冻结深度的影响可用Exp3P2模型表现,随机裂隙孔径和下边界水头对冻结深度的影响可用Exp Dec1模型表现,理论分析和数值模拟结果说明保温层厚度的解析解较数值模拟大;(4)本研究结论可为相关寒区隧道的温度场发展、分布规律和保温层厚度设计提供借鉴或参考。     

高速列车作用下道床表面风场特性研究

道砟飞溅严重威胁高速铁路行车安全,其受道床表面风场特性影响明显。本文采用计算流体动力学方法,建立精确考虑轨道和车底外形的精细化仿真模型。基于验证后的模型,研究道床表面风速/风压空间分布规律,拟合分析行车速度、道床面高度和砟肩堆高对流场特性的影响,给出飞砟防治建议。研究结果表明:轨枕顶面和道心处风速/风压值较大,易发生道砟飞溅;轨道表面风压幅值与车速的平方成正比,与道床面高度、砟肩堆高成线性关系;若道床面高度、砟肩堆高均降低50mm,道床表面风压幅值将分别降低29.4Pa和9.7Pa,降低道床高度的效果更明显;道砟颗粒上、下表面压差是道砟飞溅发生的根本原因,可通过控制道床表面风压幅值、提高表层道砟稳定性等措施避免道砟飞溅。     

高速铁路路基动力响应规律及其影响分析

高速列车荷载的数值模拟主要有静力荷载乘以动力系数表示的动力荷载模式、现场实测得到的荷载模式、实验室采用的荷载模式和模拟列车动荷载模式。论述连续弹性支承无限长梁模型、弹性点支承梁模型、车辆-轨道耦合系统动力模型,结合秦沈客运专线实际,计算分析铁路路基动力响应（位移、加速度、应力）的分布规律及其影响因素,并将模拟计算出的路基动力响应数值与秦沈客运专线现场实测数据进行对比,论证采用列车荷载模拟方式和分析计算模型的正确性和可行性。     

台风实测风谱及大跨度悬索桥风振响应的比较分析

对比分析了不同地区的实测台风拟合风谱模型与桥梁抗风设计规范的风谱模型的差异,并以东海某大跨度悬索桥为对象,运用谐波合成法对不同风谱模型的结构风场进行模拟,考虑桥梁结构的几何非线性效应和多种气动力荷载共同作用效应,由时域有限元计算方法比较了不同风谱下大跨度悬索桥风振响应。结果表明:基于实测的台风拟合谱和规范谱有着显著的差别,采用虎门桥址的16号台风实测模型和上海派比安台风实测模型计算的横向位移响应结果分别比规范谱的计算结果增大了29.6%和42.0%。对于大跨度悬索桥这样的柔性结构,低频段风谱的差异对结构响应的影响是显著的。     

平潭海峡公铁大桥桥址区实测风场特性

根据平潭海峡公铁大桥大小练岛水道桥2021年全年风速数据对实测三向风速进行正交分解，引入非平稳模型定义平均风速，在传统经验模态分解提取时变均值的基础上，通过平稳度指标改进时变均值项判断准则，提出一种非平稳时变平均风速提取方法。根据全年实测风速数据统计分析平潭海峡桥址区实测风速的均值、最大值和极大值，进一步研究脉动风场的时域特性。结果表明：平潭海峡桥址区2021年日最大风速最大值为13.9 m/s，日极大风速最大值为24.5 m/s。由于8—9月是台风季，桥址附近受热带低压影响日最大风速和日极大风速均为最大值。采用两参数Weibull分布能够更好地表征跨海桥梁桥址区平均风速；海洋风场实测风速表现出明显非高斯特性，需要考虑脉动风场的非高斯特性进行风环境分析。     

350～400km·h~(-1)高速列车作用于声屏障的脉动风荷载特性研究

针对350~400km·h~(-1)高速列车作用于声屏障的脉动风荷载问题,基于三维非稳态的k-ε两方程紊流模型,采用移动网格的数值仿真计算多种车速、多种屏轨距条件下列车通过声屏障区域的动态风场过程,得出声屏障各部位的脉动风荷载时程曲线等各类结果数据及多种参数的影响规律,并与实测资料进行对比分析。结果表明:300~400km·h~(-1)列车脉动风荷载随列车速度的增加而加速增大,与声屏障至线路中心距离呈现近双曲线性反比关系,风压值分布沿声屏障高度呈现底部大、顶部小的规律;理论计算风压值及其与实测列车脉动风荷载时程曲线形状、参数影响规律等均相符较好,部分计算风压量值略大于实测值,原因在于计算中列车及声屏障模型光滑表面的模拟方法忽略了实际粗糙表面的风阻等因素。在仿真与实测的基础上,提出380~400km·h~(-1)高速列车脉动风荷载的最大风压取值建议及广义振动频率范围1.96~4.79Hz等动力设计建议。     

高速列车经过跨线天桥脉动风压分析

高速列车通过跨线天桥结构时在天桥与高速列车之间的狭小空间内产生较大的局部风压,跨线天桥结构对局部风压的高频脉动成分极为敏感。为了探究脉动成分的大小,采用CFD数值模拟,运用滑移网格技术,大涡模拟湍流模型(LES)对高速列车经过跨线天桥结构周围的三维、非定常、可压缩流场进行模拟,并与跨线天桥实测结果吻合。对保留脉动成分的LES模拟结果在时域上进行分析,探究脉动成分分布的位置,脉动极值空间分布,以及脉动风能量在列车风压中所占比例,同时在频域上采用小波包分析的方法对LES结果进行分解,分析各频段风压能量分布规律。研究结果表明:跨线天桥表面风压脉动成分极小。     

基于因次分析的隧道火灾临界风速研究

用因次分析法建立了临界风速与相关参数的关系式,导出了临界风速无因次准则的表达式.以狮子洋隧道为载体建立隧道模型,在坡度为0、不同火灾热释放速率、不同通风风速情况下进行数值模拟,获得不同火灾热释放速率时的临界风速.在此基础上,以不同火灾热释放速率对应的临界风速为条件进行数值模拟得到火源上方烟气的温度.将所得的数据代入关系式进行拟合,给出了一种新的临界风速计算公式.     

大跨度平屋盖结构风致破坏过程模拟

利用计算流体动力学(CFD)软件CFX11.0,采用基于雷诺平均(RANS)方法的SST k-ω湍流模型对大跨度平屋盖风致破坏过程进行了二维数值模拟,研究风致连续破坏过程中屋盖开口附近风压系数的变化规律。结果表明,大跨度屋盖边缘等几何外形突变的部位是屋盖的薄弱环节,屋盖的风致破坏往往由这些部位开始。屋盖破坏过程中破坏开口边缘处风压发生较大变化,这是屋盖风致连续破坏的主要原因。此外,结构前后入口的大小也对破坏开口外表面风压系数分布规律有较大影响。本文定性地对屋盖结构风致破坏过程进行了数值模拟分析,可为大跨度屋盖局部抗风设计提供参考。     

考虑再生工况的电气化铁路牵引负荷统计预测

以实际建设的铁路线路为例,基于大量实测数据研究了牵引负荷的分布特征,着重研究再生工况下的电流,采用β函数拟合其概率分布,并结合抽样方法获得其样本数据。由误差分析分析结果可知,β分布拟合再生电流概率密度函数是可行、可靠的。添加牵引、空载数据并通过整体抽样,可获得全日馈线电流的样本,以达到预测牵引负荷的目的。     

盾构隧道同步注浆对管片上浮的影响分析北大核心

为分析广州地铁18号线沙西站—石榴岗站区间隧道同步注浆对盾尾管片上浮与受力的影响,建立考虑围岩随机裂隙分布的流固耦合数值模型。基于牛顿流体与宾厄姆流体推导管片壁后注浆压力分布解析解,通过将数值模拟获得的注浆压力与解析解对比,验证数值模型的适用性,并分析同步注浆作用下围岩和隧道结构的变形及应力特征。结果表明:所建的数值模型能较好地模拟同步注浆压力的分布;注浆对地层的初始位移场影响较大,导致整个隧道周围地层均表现为隆起;管片内外轮廓线的Mises应力与压应力差异较大,且分布形式正好相反。     

不同风场下高层建筑风压特性的风洞试验研究

在大气边界层风洞中模拟了B、C、D三类地貌的风场,对矩形和方形模型进行了风洞试验,分析了不同风场下矩形和方形模型的风压分布、顺风向脉动风压功率谱和风压空间相关性。结果表明:B、C、D三类风场下,平均风压系数逐步减小,脉动风压系数逐步增大,顺风向脉动风压功率谱峰值对应频率基本一致;顺风向脉动风压功率谱分布特征随高度变化不大;风压水平和竖向相关性随距离增加而减小;湍流度的增大使得迎风面水平和竖向风压相关性增大。     

传热系数及围岩条件对寒区隧道温度场影响

研究目的:以2022年冬奥会重大交通保障项目金家庄特长螺旋隧道为依托,通过现场实测、理论分析和COMSOL数值模拟相结合的方法,建立隧道围岩区的随机裂隙模型,研究传热系数、围岩初始温度、导热系数和比热容对温度场的影响,并建立围岩初始温度与保温层设计厚度间的数学关系式.研究结论:(1)围岩导热系数和初始温度对径向温度场的...     

横风作用下高速铁路桥梁全封闭声屏障气动特性的风洞试验研究

为研究高速铁路桥梁全封闭声屏障的横风气动特性,通过节段模型风洞试验对全封闭声屏障的三分力和表面风压进行了测试,分析了风速、雷诺数效应、风攻角、侧视断面位置对全封闭声屏障气动特性的影响。结果表明:在不同风速下测力和测压结果的规律相似;雷诺数效应对全封闭声屏障的横风气动特性和顶部的风压分布影响较大;风攻角对全封闭声屏障的阻力系数有较大影响;不同断面的风压分布曲线具有相似的规律,本文给出了设计用的近似风压曲线。     

城市轨道交通站点客流不确定性研究

为提高城市轨道交通站点客流预测的可靠性,在分析客流不确定性影响因素的基础上,基于ARIMA-GARCH模型,依据南京地铁珠江路站点客流数据对客流不确定性进行建模和预测,并从预测置信区间和无效覆盖率两方面与传统的时间序列进行对比分析,研究结果表明,ARIMA-GARCH能够较好地拟合客流波动情况,为城市轨道交通运营与管理提供理论依据。     

铁路隧道横通道临界风速研究

铁路隧道横通道临界风速是横通道能否有效防烟的重要参数。根据π定理和相似理论,对影响横通道临界风速的相关因素进行量纲分析,推导出横通道临界风速与隧道纵向风速、火灾热释放率、横通道防火门的高度及宽度、横通道与隧道的夹角这5个影响参数的无量纲函数关系式;通过数值模拟并对模拟数据拟合,确定横通道临界风速与这5个影响参数的关系。结果表明:当无量纲隧道纵向风速不大于0.114时,横通道临界风速随隧道纵向风速的增大呈3/7次方的增长关系,当隧道纵向风速大于0.114时,横通道临界风速随隧道纵向风速的增大呈-3/40次方的减小关系;横通道临界风速与火源热释放率呈1/3次方的增长关系、与防火门高度近似呈6/5次方的增长关系、与防火门的门宽无关、与横通道和隧道之间的夹角呈-3/8次方的减小关系。根据这些拟合结果确定无量纲函数关系式中各未知系数的取值,进而得到横通道临界风速的无量纲计算公式。     

室内空调系统风速精准控制

随着我国居民生活水平的提高,人们在生活、工作空调环境舒适性方面的要求也随之提高。如何有效精准控制空调房间内气流的速度分布,给人们提供一个舒适的工作、居住或康复环境显得尤为重要。以某医院重点工程项目为研究对象,针对其病房室内风速需精确控制到0.2 m/s以下的要求,在标准病房内设置了20个测点进行室内风速测量,并利用TECPLOT软件进行了空调速度场数值模拟。基于对测量和模拟的结果的分析,提出了改变送回风方式、改变风口类型、增设电动两通调节阀、增设静压箱和改变送风部位装修造型共5种改进风速分布的方案。现场测量结果以及数值模拟结果均表明,这5种方案可改进气流组织,达到精确控制风速的目的,实测风速值与设计值正偏差小于10%。     

高速铁路封闭式声屏障的风压荷载试验研究

针对高速铁路封闭式声屏障在列车风与横风作用下的风压荷载问题,采用中南大学自主研发的横风-移动列车风洞试验系统,研究横风和列车风作用下声屏障的风压荷载分布.研究结果表明:圆形断面封闭式声屏障外壁风压系数分布沿环向先减小后增大,与单圆柱的风压分布大致相似,给定风速下最大负风压系数-3.38;单车通过声屏障时脉动风压幅值与车速平方近似成正比,同一截面风压沿环向非均匀分布,近侧的压力峰值高于远侧,最大相差16％;2车交会时,交会区域风压峰值明显增大且极值风压出现在交会截面,其值约为单车通过时极值风压的2倍.     

超长地铁联络通道水平冻结温度场变化规律分析

掌握了超长地铁联络通道冻结温度场的变化规律,就能够预测分析地层冻结温度场,可提前判断冻结壁发展状况。以福州地铁2号线某区间超长联络通道冻结施工为例,建立三维有限元数值计算模型,通过对比分析冻结阶段的数值模拟分析结果与实测数据,验证了计算模型的准确性。基于该数值计算模型,研究了初始地温、导热系数、比热容对该温度场影响的规律。结果表明:冻结温度场变化主要分为温度快速下降与相变阶段、温度下降、土体温度稳定3个阶段;冻结壁交圈时间与初始地温、比热容近似呈线性递增关系,初始地温每升高5℃,交圈时间延长2d,交圈时间随比热容增加而延长;冻结壁交圈时间与导热系数呈负相关,导热系数每增高10%,交圈时间缩短1d。     

基于径向基函数神经网络的轨道交通车辆振动状态预测

通过遗传算法优化径向基函数神经网络的中心、宽度及权重等参数,构建车辆振动神经网络预测模型。通过42自由度车辆多体动力学模型,以某线路实测轨道不平顺数据作为输入,得到车辆振动加速度数据。通过训练与优化,构建的车辆振动预测模型能预测车体振动加速度变化趋势。