重载铁路隧道基底结构动应力分析.pdf

欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟收稿日期：作者简介：魏义德（），男，在读研究生，研究方向：桥梁与隧道工程。犱 狅 犻：重载铁路隧道基底结构动应力分析魏义德，王海龙，（河北建筑工程学院 土木工程学院，河北 张家口 ；河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室）摘要：以某重载隧道工程为背景，利用有限差分软件进行数值模拟，以人工激振函数模拟列车振动荷载，研究 、轴重列车荷载作用下隧道基底结构的动力响应。结果表明：随着列车轴重的增大，基底各部位的动压应力呈非线性增长，且增加幅度逐渐扩大；动压应力自道床层依次向下随深度的增加而不断减小，轴重作用下线路中心处动压力从道床上表面传至道床下表面衰减 ，传至仰拱上表面衰减 ，传至仰拱下表面衰减 ，在道床层和填充层内动应力衰减幅度较大，在仰拱结构内衰减幅度较小。关键词：重载隧道；数值模拟；基底结构；轴重；动应力中图分类号：犝 文献标识码：犃 引言重载铁路运输运能大、效率高，受到各国越来越多的重视，其发展进程也在不断加快，相较于普通列车，重载列车拥有轴重大、列车总重较大的特点，因此重载铁路隧道更容易发生病害，如基底开裂、破损，在已有病害部位，较大动应力更会加剧隧道破坏，造成经济损失及不必要的人员伤亡，因此研究重载隧道基底结构的动应力特性尤为必要国内外有不少学者对重载铁路隧道进行不同方面的研究 利用数值模拟研究列车荷载作用下分级隧道的振动特性，对多因素进行正交实验分析，并建立分级隧道受列车振动荷载的影响分区刘卫丰结合 变换和 变换，推导出隧道自由场的动力响应特征解，并结合实际工况加以验证徐宁对 软件进行二次开发，研究不同列车车速对隧道结构的动应力响应特征，对隧道损伤最大部位进行预测及治理林越翔依托双线隧道工程，对隧道各结构部位进行最大、最小动应力分析，并研究不同参数作用下隧道的动力响应特性本文以数值模拟的方法建立单洞单线隧道，主要对隧道基底部位的动应力进行分析，并对比不同轴重探究隧底振动特性规律 模型建立利用有限差分 建立隧道模型，对重载列车荷载作用下隧道基底结构的动应力分布规律进行分析 计算模型隧道模型为单洞单线形式，隧道洞跨 ，水平方向以隧道中心为轴线向两侧各取，竖直方向上隧道埋深，隧道底部向下，即该隧道模型为 ，隧道模型图如图第 卷 第期 年月河 北 建 筑 工 程 学 院 学 报犑 犗 犝 犚 犖 犃 犔犗 犉犎 犈 犅 犈 犐犐 犖 犛 犜 犐 犜 犝 犜 犈犗 犉犃 犚 犆 犎 犐 犜 犈 犆 犜 犝 犚 犈犃 犖 犇犆 犐 犞 犐 犔犈 犖 犌 犐 犖 犈 犈 犚 犐 犖 犌犞 狅 犾 犖 狅 犑 狌 狀 （）隧道断面图（）计算模型图图隧道模型图 力学参数围岩本构模型为摩尔库伦本构，初支、二衬、道床、填充、仰拱等结构采用线弹性本构，各结构力学参数参考 铁路隧道设计规范 ，具体取值见表表围岩及衬砌力学参数结构名称重度（）弹性模量（）泊松比内摩擦角（）黏聚力（）围岩 初支 二衬 道床 填充层 仰拱 荷载施加根据国内外振动荷载的研究现状，选用人工激振力函数模拟重载列车荷载可全面考虑列车轴重、车速等因素，且形式较为简洁，具体激振力函数表达式如下：犉（狋）犘犘 狋犘 狋犘 狋（）犻 狏犔犻（）犘犻犿犻犪犻犻（）式中：犘为车轮静载，犘、犘、犘分别为不同波长和正矢所对应的振动荷载，犿犻为列车簧下质量，犪犻为典型正矢，犔犻为轨道不平顺波长管理值，犻为不同控制条件下的振动圆周率，狏为列车车速，犪犻、犔犻取值参考英国国铁轨道管理值，具体取值见表根据铁路设计相关规范，重载列车轴重取，车速取 ，单边静轮重犘 ，簧下质量犿犻，人工激振力函数图见图表英国国铁轨道管理值控制条件波长正矢按行车平稳性（）线路上的附加荷载（）磨损荷载（）第期魏义德王海龙重载铁路隧道基底结构动应力分析图人工激振函数 参考点选取为研究隧道基底结构的动应力分布规律，选取隧道模型典型位置作为参考点，在道床层、填充层及仰拱结构设置参考点，参考点设置如图图参考点布设 有限元结果分析 道床层结构动应力对铁路隧道而言，重载列车荷载作用会使隧道基底部位产生较大动压力，故此研究三种轴重工况，即 工况、工况、工况对道床上表面点（轨道下）、点（线路中心），道床下表面点（轨道下）、点（线路中心）进行动压力检测，详细结果见下表表道床层结构动压力位置工况（）工况（）工况（）道床上表面轨道下 线路中心 道床下表面轨道下 线路中心 由表可知，线路中心处的动压力值大于轨道下，表明线路中心处受列车振动荷载作用最明显随着列车轴重的增加，各参考点动压力呈非线性增大，以线路中心处为例，道床上表面列车轴重由 增大到，动压力由 增大到 ，增加幅度为 ，列车轴重由 增大到 ，动河 北 建 筑 工 程 学 院 学 报第 卷压力增大到 ，增加幅度为 ；道床下表面列车轴重由 增大到，动压力由 增大到 ，增加幅度为 ，列车轴重由 增大到，动压力增大到 ，增大幅度为 随着轴重的不断增大，动压力增大幅值也逐渐增大，车隧振动效应不断加剧，加剧对基底的破坏程度 仰拱结构动压力三种工况条件下仰拱结构参考点动压力值见下表表仰拱结构动压力位置工况（）工况（）工况（）仰拱上表面侧沟底部 轨道下 线路中心 仰拱下表面侧沟底部 轨道下 线路中心 由表可知，仰拱结构内，线路中心处的动压力最大，侧沟底部处的动压力最小随着列车轴重的增加，各参考点动压力呈非线性增大，以线路中心处为例，在仰拱上表面列车轴重由 增大到，动压力由 增加到 ，增加幅度为 ，列车轴重由 增大到，动压力增大到 ，增加幅度为 ；在仰拱下表面列车轴重由 增大到，动压力由 增加到 ，增加幅度为 ，列车轴重由 增大到，动压力增加到 ，增加幅度为 ，随着轴重的不断增大，动压力增大幅值也逐渐增大 动压力竖向传播规律三种列车轴重作用下，线路中心处的动压力值均为最大，故以线路中心处为例，不同轴重作用下列车的竖向动压力传播图如下图，对比同一轴重情况下，不同参考点的动压力变化规律如下图 图不同轴重动压力竖向分布图不同参考点动压力分布 轴重、轴重 轴重三种轴重情况作用下隧道基底动压力传播规律大致相同，各参考点随竖向深度的增加而逐渐衰减，线路中心的动压力衰减程度比轨道下更大，以 轴重为例，线路中心处动压应力由道床上表面传至道床下表面衰减 ，传至仰拱上表面衰减 ，传至仰拱下表面衰减 ；轨道下动压力由道床上表面传至道床下表面衰减，传至仰拱上表面衰减 ，传至仰拱下表面衰减 在道床层与填充层内动压应力衰减幅度较大，在仰拱内动压应力衰减幅度相对较弱，且各结构内随轴重的增加，其衰减程度也在不断增大，表明列车轴重的增大会加剧车隧的相对振动，从而造成损伤第期魏义德王海龙重载铁路隧道基底结构动应力分析 结论以某重载隧道工程为背景，利用数值模拟的方法对隧道基底结构的动压应力分析，所得结论如下：（）相较于轨道下和侧沟底部，线路中心处的动压应力最大，且衰减速度最快，表明线路中心处所受列车荷载影响最明显，为隧底结构最不利部位（）随着列车轴重的增大，各参考点的动压应力呈非线性增大，其增大幅度逐渐变大，表明重载铁路隧道轴重增大对隧道基底的破坏较为严重（）竖直方向上动压力在道床层和填充层内衰减速度较快，在仰拱内其衰减速度较慢参考文献 夏胜利，杨浩，张进川，晁阳我国重载铁路发展模式研究铁道运输与经济，（）：，：李长伟，王金虎，李华栋，户小明重载铁路线路病害治理、维修和养护中国铁路，（）：，刘卫丰，刘维宁 ，地下列车移动荷载作用下隧道及自由场的动力响应解振动与冲击，（）：徐宁列车振动荷载作用下隧道衬砌结构动力响应与损伤特性研究石家庄铁道大学，林越翔，彭立敏，施成华，雷明锋，扶晓康重载作用下铁路隧道底部结构动力响应特征及合理设计参数研究现代隧道技术，（）：梁波，罗红，孙常新高速铁路振动荷载的模拟研究铁道学报，（）犇 狔 狀 犪 犿 犻 犮 狊 狋 狉 犲 狊 狊犪 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狊狅 犳犺 犲 犪 狏 狔犺 犪 狌 犾 狉 犪 犻 犾 狑 犪 狔 狋 狌 狀 狀 犲 犾 犫 犪 狊 犲 狊 狋 狉 狌 犮 狋 狌 狉 犲犠犈 犐犢 犻 犱 犲，犠犃 犖 犌犎 犪 犻 犾 狅 狀 犵，（，；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；河 北 建 筑 工 程 学 院 学 报第 卷