高速列车荷载作用下衬砌脱空隧道动力响应及疲劳寿命研究

发布时间：2022-07-16 16:07

　　高铁隧道运营时会承受高速列车的动荷载作用,目前含空洞高速铁路在高速列车作用下的动力响应方面缺乏系统的研究。因此,本文在依托国家自然科学基金——高铁联合基金（U1434211）的基础上,借鉴前人现场试验测试的数据,采用有限元数值模拟的研究方法,以我国现行典型双线高速铁路隧道为原型,系统研究无损隧道与含空洞隧道,单空洞隧道与双空洞隧道,空洞脱空大小、脱空位置等不同工况条件下隧道衬砌结构在列车振动荷载作用下衬砌拱圈动力响应特征及规律,研究的结果对揭示含空洞运营隧道的长期结构动力学性态,结构损伤演变规律、结构安全系数演变及结构破坏前兆,提高高速铁路隧道安全运行环境,增加隧道使用寿命具有重要的现实意义及参考意义。本文研究内容及成果如下:（1）通过查阅文献及实地调研,对普速铁路隧道存在衬砌病害情况进行统计分析,得出隧道衬砌发生空洞脱空是隧道病害的主要形式,其中在衬砌拱顶处产生空洞的概率最大。（2）运用有限元法建立二维隧道模型研究了隧道衬砌背后空洞对隧道衬砌结构的受力影响,通过对二维空洞的脱空位置、脱空厚度、脱空角度等设置不同的变量,研究隧道衬砌背后空洞在不同脱空形式的条件下,对隧道衬砌结构的受力进... 

【文章页数】：132 页

【学位级别】：硕士

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中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 研究背景及意义
        1.2.1 研究背景及意义
        1.2.2 隧道空洞分类及成因
    1.3 空洞隧道振动响应研究现状
        1.3.1 空洞隧道振动响应理论分析
        1.3.2 空洞隧道振动响应数值分析
        1.3.3 空洞隧道振动响应试验检测
    1.4 隧道结构疲劳寿命研究进展
        1.4.1 试验检测
        1.4.2 理论分析
    1.5 主要研究内容和技术路线
        1.5.1 研究目的
        1.5.2 研究内容
        1.5.3 技术路线
第二章 高速铁路隧道有限元模型参数的确定
    2.1 岩土数值模型的选取
        2.1.1 有限元软件的选取
        2.1.2 地层结构模型
        2.1.3 岩土体本构模型
    2.2 混凝土数值模型的选取
        2.2.1 ABAQUS损伤塑性模型理论
        2.2.2 ABAQUS损伤塑性模型损伤因子取值
    2.3 有限元数值模型的建立
        2.3.1 模型尺寸与网格尺寸
        2.3.2 动态时间步和动态多步
        2.3.3 动力荷载的施加和边界条件的设置
        2.3.4 动力荷载的施加和边界条件的设置
        2.3.5 列车振动荷载的简化模拟
    2.4 本章小结
第三章 高速列车荷载作用下二维模型动力响应分析
    3.1 有限元模型的建立
        3.1.1 工况设置
        3.1.2 模型说明
        3.1.3 模型参数
        3.1.4 计算步骤
        3.1.5 分析断面及特征点选取
    3.2 有限元模型与现场试验的对比及验证
    3.3 衬砌空洞在高速列车荷载下二维静力分析
        3.3.1 二维脱空的静力分析应力云图
        3.3.2 最大主应力值随空洞脱空位置的变化
        3.3.3 最大主应力值随空洞脱空角度变化
        3.3.4 最大主应力值随空洞脱空厚度变化
    3.4 衬砌空洞在高速列车荷载下二维动力分析
        3.4.1 相对位移随分析步变化
        3.4.2 加速度时程曲线分布图
        3.4.3 加速度峰值随空洞变化规律
        3.4.4 位移峰值随空洞变化规律
    3.5 本章小结
第四章 高速列车荷载作用下三维模型动力响应分析
    4.1 有限元模型的建立
        4.1.1 工况设置
        4.1.2 工况布置示意图
        4.1.3 模型说明
        4.1.4 模型参数
        4.1.5 计算步骤
    4.2 高速列车荷载作用下单空洞动力响应分析
        4.2.1 常规断面与含空洞断面衬砌应力云图
        4.2.2 常规断面与含空洞断面各观测点加速度变化规律
        4.2.3 常规断面与含空洞断面各观测点最大主应力变化
        4.2.4 常规断面与含空洞断面各观测点位移变化
    4.3 高速列车荷载作用下双空洞动力响应分析
        4.3.1 常规断面与含空洞断面衬砌应力云图
        4.3.2 常规断面与含空洞断面各观测点加速度变化规律
        4.3.3 常规断面与含空洞断面各观测点最大主应力变化
        4.3.4 常规断面与含空洞断面各观测点位移变化
    4.4 隧道结构衬砌内力安全系数计算
    4.5 本章小结
第五章 高速铁路隧道衬砌结构疲劳寿命研究
    5.1 隧道衬砌背后空洞混凝土疲劳寿命预测
        5.1.1 混凝土疲劳方程
        5.1.2 隧道衬砌单空洞的隧道寿命预测
        5.1.3 隧道衬砌双空洞的隧道寿命预测
    5.2 隧道衬砌背后空洞混凝土损伤寿命评估
        5.2.1 混凝土疲劳损伤累积方程
        5.2.2 隧道衬砌单空洞的隧道损伤评估
        5.2.3 隧道衬砌双空洞的隧道损伤评估
    5.3 本章小结
第六章结论与展望
    6.1 结论
    6.2 主要创新点
    6.3 展望
参考文献
致谢
作者简历及研宂成果
学位论文评阅及答辩情况表


【参考文献】：
期刊论文
[1]不同时速列车振动荷载下衬砌拱圈振动响应传递规律[J]. 田甜,雷洋,齐法琳,黎国清.  工程力学. 2018(05)
[2]砌石衬砌背后双空洞对隧道结构安全性影响[J]. 王薇,高棱韬,张恒文,邓俊.  公路交通科技. 2018(05)
[3]衬砌背后空洞影响下隧道结构裂损规律试验研究[J]. 张旭,张成平,冯岗,韩凯航.  岩土工程学报. 2017(06)
[4]列车振动荷载作用下交叉盾构隧道动力响应与损伤分析[J]. 黄希,晏启祥,陈诚,李彬嘉.  铁道建筑. 2016(08)
[5]衬砌背后含水空洞对隧道结构安全的影响分析[J]. 黄玲,陈飞昕.  广东技术师范学院学报. 2016(08)
[6]铁路隧道基底状况对底部结构受力状态的影响[J]. 丁祖德,彭立敏,施成华,黄娟,刘光明.  中南大学学报(自然科学版). 2013(07)
[7]不同位置空洞对隧道衬砌的力学行为分析[J]. 崔文艳,宋建,刘宇,于志华.  水利与建筑工程学报. 2011(05)
[8]高速铁路隧道列车振动响应影响因素分析[J]. 丁祖德,彭立敏,雷明锋,施成华.  铁道科学与工程学报. 2011(04)
[9]砂层隧道列车振动响应与地基累积变形研究[J]. 施成华,雷明锋,彭立敏,丁祖德.  铁道学报. 2011(07)
[10]基底富水条件下隧道铺底结构疲劳寿命的试验研究[J]. 黄娟,彭立敏,施成华.  铁道学报. 2009(01)

博士论文
[1]衬砌背后空洞对隧道结构体系安全性的影响机理研究[D]. 应国刚.北京交通大学 2016

硕士论文
[1]衬砌背后空洞对隧道结构安全影响分析[D]. 金成昊.重庆交通大学 2018
[2]含衬砌空洞的高铁隧道结构动力响应机制研究[D]. 王超.北京建筑大学 2017
[3]重载铁路隧底结构动力响应及疲劳寿命研究[D]. 晏伟光.中南大学 2014
[4]高速公路隧道衬砌背后空洞影响及安全性分析[D]. 周强.重庆交通大学 2013
[5]高速列车荷载作用下交叉隧道动力响应特性及影响分区研究[D]. 康立鹏.中南大学 2013



本文编号：3662822