基岩软化条件下仰拱结构疲劳寿命的预测分析

由于隧道施工期间扰动及重载列车荷载的长期循环作用,造成底部基岩出现一定范围的软化和围岩力学参数降低,引起拱底围压的不均匀分布,并影响基底结构的疲劳寿命。通过引入重载列车振动荷载函数和Miner线性累积损伤理论,建立了考虑基底软化仰拱结构疲劳寿命的预测方法,研究列车振动荷载作用下基底软化因素对铁路隧道底部结构疲劳寿命的影响。计算结果表明:在基岩不同软化条件下,隧道底部结构动应力响应分布规律相似,隧道底部结构各部位动拉应力和动压应力增幅较大,仰拱结构疲劳寿命明显减小。隧道底部结构仰拱中心处出现拉应力最大值,仰拱与边墙连接处出现压应力最大值。在仰拱结构的应力计算结果的基础上,结合混凝土疲劳寿命原理,论述了基底软化条件下隧道底部结构疲劳寿命预测值。     

重载铁路水泥改良土路基动力特性试验研究

为探究重载列车动载作用下路基的动力特性,依托浩吉（浩勒报吉?吉安）重载铁路三荆（三门峡?荆门）试验段 水泥改良膨胀土路基工程背景,开展不少于400 万振次（近似模拟运营10 年内的荷载量）的现场激振试验,利用大型激振设备和配重块组合模拟了时速120km、轴重25?30t 重载列车作用,并与时速120?200km、轴重21t预留客运列车作用时的激振试验结果对比。结果表明：动应力受轴重影响敏感性大于行车速度,轴重25?30t重载列车作用时路基面动应力幅值范围约是轴重21t客运列车作用时的1.2?1.4倍;动应力与加速度沿路基深度衰减趋势吻合,在基床表层与底层范围最大衰减量分别可达40%和80%,动力影响深度略大于基床设计厚度;路基面累积变形呈“快速?缓慢?稳定”发展,控制在4 mm以内,其中前150万次占比达90%;结合测试结果评估水泥掺量为3%?5%的改良膨胀土用作基床底层及以下路堤填料满足动力稳定需求。研究成果能够为探索重载铁路基床动力水平与结构设计提供理论参考。     

重载铁路路基足尺模型试验研究

以朔黄重载铁路为工程背景,通过构建重载列车模拟加载系统和路基足尺模型,开展路基动力响应试验,分析了在循环加载条件下路基的动力响应特性。试验结果表明,路基中不同深度动应力峰值均随着轴重的增加而增加,轴重越大,动应力的影响深度越大,路基中动应力随深度的增加呈负指数衰减趋势。路肩处动位移峰值随轴重的增加而线性增加。当轴重增加到30 t后,路基达到临界破坏状态,可见按照原朔黄铁路路基建造标准,其最大运行列车轴重约为27 t,如再增加列车轴重,路基需预先采取强化措施。试验结果对建造运行列车模拟加载系统及足尺路基模型具有借鉴参考意义,同时有助于深刻理解列车轴重对路基动力响应特性的影响。     

铁路隧道仰拱结构振动特性实测分析

为研究隧道仰拱及仰拱填充结构的振动特性,以兰新高铁福川隧道为依托进行现场测试,分析不同运行速度列车振动荷载作用下,不同深度处仰拱及仰拱填充结构的振动加速度和动应力响应及衰减规律,并通过数值模拟进行对比分析。结果表明:列车速度一定时,列车运行侧仰拱及仰拱填充中振动加速度响应随着深度的增加逐渐减小,双线同时行车时,振动加速度响应相比单线行车时有所提高,且提高的幅度与行车速度有关,数值模拟得到的结果与实测结果基本吻合。仰拱及仰拱填充是承载振动加速度的主要载体,应将其作为结构设计的重点。研究成果对优化隧道支护体系确保列车运行安全具有重要意义。     

铁路隧道铺底结构动力响应分析

采用空间非线性动力有限元理论和准静态荷载法，以多雨地区铁路隧道易出现翻浆冒泥等病害现象的轨下铺底结构为研究对象，建立了铁路隧道铺底结构的动载计算模型。对列车振动冲击荷载作用下隧道铺底混凝土结构四种计算工况的动力响应进行了数值模拟，并与模型试验测试结果进行比较分析，得出了主要结论：隧道铺底结构的使用寿命是由铺底材料的抗弯强度控制；竖向应力动力系数随深度的增加逐渐衰减；衰减系数随铺底底面的深度增加而减小，同种工况中随速度的增加而减小。这些研究结果为深入了解列车动载对隧道基底结构破坏的影响程度，较彻底地解决隧道基底破损所产生的病害问题提供了参考。     

30t轴重重载铁路简支梁桥-轨道系统地震响应研究

为研究多跨30 t轴重重载铁路简支梁桥-轨道系统地震响应规律,采用经过验证的梁轨相互作用模拟方法,建立了考虑桩-土共同作用、桥墩弹塑性变形、滑动支座摩阻力、线路非线性阻力的多跨重载铁路简支梁桥与双线有砟轨道相互作用仿真模型,揭示了一致激励和行波效应下重载铁路简支梁桥-轨道系统地震响应规律,探讨了路基段钢轨长度、简支梁跨数、跨度、线路纵向阻力形式、滑动支座摩阻系数等设计参数的影响,分析了温度、列车制动和地震耦合作用下系统的受力特征。研究表明:当地形地质条件相差不大时,简支梁跨数可简化为11跨、路基段钢轨长度可取为150 m;线路阻力减小时,梁体间、梁体与桥台间可能出现碰撞现象甚至发生落梁;纵向一致激励下,钢轨应力包络图呈"双菱形",其最大值出现在桥台附近,而梁缝附近梁轨相对位移较大,易发生动力失稳;行波效应下,系统受力和变形规律发生显著改变,即使对于跨度较小的简支梁桥,也应考虑行波效应的影响;温度和列车制动作用将进一步增大轨道结构在地震中发生动力失稳的可能性。     

重载列车引起的大跨度斜拉桥拉索振动研究

采用子结构法研究了重载列车引起的大跨度铁路斜拉桥拉索非线性振动问题。首先基于线性桥梁空间有限元模型,采用车-桥耦合动力学理论计算得到斜拉索锚固点动力响应;然后将该动力响应作为斜拉索端部激励,采用自编的基于CR列式法(Co-rotational Formulation)的拉索非线性动力有限元程序,计算斜拉索非线性动力响应。以荆岳铁路洞庭湖三塔斜拉桥为例,开展了车致斜拉桥拉索振动分析,结果表明:在设计时速范围内,重载列车作用下,斜拉桥索端激励与拉索固有频率两者不存在明显的匹配关系,车致拉索振动响应为一个准静态过程;通过进一步对比不同计算方案,即车-桥耦合振动、移动轴重瞬态分析与移动轴重影响线加载对拉索响应的影响,发现对于大跨度铁路斜拉桥而言,由于车-桥耦合振动效应不显著,采用移动轴重影响线加载方法得到的拉索应力结果具有足够精度。     

列车动载作用下偏压基坑围护结构的动力响应分析

深圳地铁五号线民治站基坑工程紧邻平南铁路,路堤顶部高于基坑开挖面7～9m,基坑地连墙切入铁路路堤坡脚2m,不仅承受较大偏压静载,且受列车动载影响。通过现场测试获得列车激振荷载衰减规律,并作为激励作用于动力有限元模型,比对5种工况讨论了列车荷载对基坑围护结构的振动响应。结果表明,实测列车水平加速度大于垂直加速度,并随着水平距离及竖向深度的增大呈非线性衰减。围护结构变形对列车激振作用比较敏感,而内力变化不大。基坑开挖中,紧临铁路侧连续墙和支撑结构振动加速度存在一定的放大效应,而车站结构施做完毕,紧临铁路侧振动加速度变化不大,而远离铁路侧振动幅值有较大增长。基于变形控制标准,提出了列车限速60km/h的减震控制措施,可供类似工程参考。     

客运专线富水黄土隧道隧底振动特性试验研究

当高速列车通过时,将导致隧道出现振动现象。在此条件下,修建于富水黄土地基上的隧道能否满足振动安全要求,是困扰郑州至西安客运专线建设的难题之一,国内外没有任何经验可借鉴。为解决该问题,开展了模拟高速列车振动效应的激振试验,得出了不同激振频率下的振动速度在隧道仰拱结构深度方向、仰拱填充面横向和纵向的变化规律,也得出了隧底富水黄土中振动速度的变化规律。试验结果表明,隧道结构和隧底黄土中的振动速度均不大。综合分析后可以判定,列车引起的振动不足以对隧道产生明显影响,富水黄土隧道满足客运专线运营要求。     

列车荷载作用下X形桩-网复合地基动力响应研究EI北大核心CSCD

基于大比例X形桩‑网复合地基模型,开展了高速铁路列车荷载下桩‑网复合地基的动力特性试验研究,分析了不同车速情况下地基土的振动速度、动应力和动位移的分布特性,探讨了循环荷载下轨道路堤地基系统的振动响应和路堤内部动应力的分布特征和衰减规律。采用PLAXIS 3D建立数值分析模型,研究了不同列车轴重及振动频率对路堤振动速度响应的影响,对比了无筋路堤与双层土工格栅加筋路堤在动荷载作用下桩顶与桩间土竖向应力的分布规律。结果表明:轨道板表面处竖向位移随时间呈“M”形周期性变化;竖向速度响应在路堤表层处最大,沿地基横向及深度方向逐渐衰减,在路堤中衰减了近90%。随着加载频率及加载幅值的增大,土体振动速度逐渐增大。动荷载对无筋路堤影响显著,土拱效应明显减弱,桩土应力比值随加载频率的提高逐渐减小。土工格栅加筋路堤张力膜效应能够减小动荷载对复合地基的影响。     

含小净距隧道岩石边坡地震动力特性的大型振动台试验研究

为研究含小净距隧道岩石边坡在地震作用下的动力特性,设计了一个比尺1∶10的含小净距隧道岩石边坡的大型振动台试验模型,试验以汶川波（WC）作为振动台激振波,采用水平（x）向、竖直（z）向和水平竖直（xz）向三种激振方式,研究地震作用下边坡的加速度响应特性和动位移响应特性。试验结果表明:1） 边坡加速度放大系数沿坡面向上呈现出先减小后增大的非线性变化特征,边坡会改变输入地震波的频谱成分,对高频段地震波存在滤波作用。2） x、z单向激振下边坡加速度放大系数随着加载加速度峰值的增大而增大,xz双向激振下则随着加载加速度峰值的增大而减小。3） 以3/5坡高为界,此高度以下,边坡对竖向地震波的放大作用大于对水平向地震波的放大作用,在此高度以上则刚好相反。4） 边坡水平方向位移主要受水平向地震波的影响,且随着激振加速度峰值的增大而增大。5） 以4/5坡高为界,此高度以下动位移峰值增大趋势缓慢,此高度以上,动位移响应峰值急剧增大,且在坡顶处产生最大的水平位移。6） 边坡的动位移响应与地震波的激振方向和测点位置有关。试验研究结果对含小净距隧道边坡抗震设计及其地震动力反应特性的研究有一定的指导意义。     

高速铁路隧道列车振动响应数值分析方法

高速铁路隧道结构在列车动载作用下的动力工作状态和力学响应在我国尚未进行研究,该问题研究的关键在于如何确定高速列车振动荷载,本文给出两种列车动载的定量分析方法,采用弹塑性本构关系和摩尔库伦屈服准则,应用有限元模型在时域内对隧道结构及其周围岩体进行动力响应分析,对如何分析高速列车振动荷载作用下隧道的动力工作状态作初步探讨。     

高速列车振动荷载作用下电缆隧道结构动力响应分析

城市中地下管线铺设较为复杂,城市轨道或者城际高速铁路会修建在地下管线上方。以京津城际轨道交通工程为例,研究高速车辆振动荷载对铺设地下管线的隧道结构产生的动力影响。运用耦合动力学,建立了车辆-轨道耦合系统振动分析模型,计算高速列车通过时车辆-轨道耦合系统的动力响应。结合有限元理论,建立桩板-土体-隧道一体化纵横垂向空间耦合动力仿真模型。将车辆-轨道耦合系统振动分析模型得到的荷载谱,作为外部激励作用在动力仿真模型上,对电缆隧道的动力响应进行研究。计算结果表明,京津城际铁路运营后高速列车振动荷载的动力作用不会对桩板结构下的电缆隧道产生显著的不利影响。     

移动荷载作用下简支梁共振与消振机理研究

推导了简支梁在移动荷载列作用下的振动响应理论解,得到了简支梁发生共振及两类消振效应的车速计算公式,阐明了二者的发生机理。提出移动荷载作用下简支梁存在两类消振效应,第一类消振为单个荷载行为,第二类消振与荷载间距有关;发生消振效应时,已经离开桥梁的荷载所引起简支梁的自由振动抵消为零,桥梁的动力响应较小;消振发生的条件较共振更为严格,当车速同时满足二者的要求时,消振效应起主要作用,将出现共振消失现象;理论上通过调整车厢长与桥跨之比可避免共振现象发生。通过算例分析了两座简支梁在列车过桥时的动力响应,验证了理论分析的正确性。     

移动谐振荷载作用下浮置板轨道的动力响应

在移动谐振荷载作用下,依据周期结构响应的性质,将无限长浮置板轨道响应的问题求解转化到在一块浮置板长度范围内进行,并通过浮置板的位移影响矩阵在频域内实现了钢轨和不连续浮置板的耦合,求得了该范围内钢轨的动力响应,进而以此为基础求得了轨道结构上任意一点的动力响应。结果表明:移动谐振荷载作用下,在移动荷载自身激振频率附近,浮置板轨道位移响应频谱达到峰值;随着移动谐振荷载速度的增大,在频谱上,荷载自身激振频率附近很窄的频段位移响应会有所下降,而在其他大部分频段位移响应会有显著增加;当谐振荷载激振频率与浮置板轨道的固有频率一致时,发生共振现象,在频谱上位移响应的峰值远远大于其他激振频率时响应的峰值;浮置板轨道在移动荷载作用下,存在由荷载周期通过不连续浮置板和扣件而引发的参数激励;当移动谐振荷载激振频率接近有限长浮置板形成驻波的频率时,轨道结构也会产生较大的位移响应。     

列车动荷载长期作用下圆形隧道衬砌损伤分布特征及演化规律研究

为研究隧道衬砌车致损伤分布特征及演化规律,该文采用规范推荐的混凝土单轴拉压本构关系推导了复杂应力条件下增量损伤本构关系,并基于此本构模型实现了ANSYS标准计算流程的二次开发。通过与单轴拉压试验结果对比验证了计算的可靠性。建立了地铁圆形隧道-地层耦合动力有限元模型,基于改进的Miner累积损伤理论,研究了列车动荷载长期作用下衬砌结构的损伤分布、动力响应、损伤增量及累积损伤演化规律。结果表明:衬砌长期车致损伤关于隧道中心线对称,主要分布于仰拱结构,分布角约120°;列车荷载作用点下方衬砌结构中出现两个损伤集中区,其损伤幅值较其他区域大;随累积运行次数的增加,损伤集中区内车致动应力幅值减小约83%,动应变幅值增大约150%;损伤增量与累积损伤均随列车累积运行次数增加而增大,且呈非线性关系;采用改进的Miner累积损伤理论可提高预测隧道结构疲劳寿命的准确性。     

珠三角地区典型地层地铁区间隧道动力特性分析

基于等厚度夹层单元与粘弹性边界条件,建立隧道-围岩体系的动力有限元分析模型,模拟围岩及其衬砌结构之间的力学性态;基于地铁列车振动加速度现场测试成果,选择结构动力有限元计算的时域分析法,对珠三角地区典型土层地铁区间隧道衬砌结构在列车振动荷载作用下的动力响应特性进行分析,获得了不同围岩类别地铁区间隧道的动力响应规律,研究成果对分析地铁隧道动力稳定性具有重要意义.     

结构动力的反分析方法研究

本文以线性多自由度体系在随机荷载作用下振动响应的正分析为基础，建立了结构振动荷载谱的反分析方程，采用线性方程组最小二乘解法对诱发结构振动的激振力进行了求解，并求出相应的动荷载时间历程，从而是结合分析可地动力响应分布进行计算，籍高拱坝泄洪振动水弹性模型实验研究。对此反分析方法给予验证，计算结果与实验测试成果的合，事实说明，动力反分析地复杂结构体系在多振源或不确定动荷载作用下的动态特征研究有重要意义。     

超大型冷却塔随机风振响应分析

冷却塔在随机风荷载激励作用下,动力响应具有小变形、弱非线性特点,固有频率在低频段密集分布,模态之间耦合效应较为明显.基于冷却塔刚体模型表面同步测压风洞试验结果,以非定常气动力作为输入荷载,考虑冷却塔多模态之间耦合效应,利用虚拟激励法和振型迭加法进行结构随机风振响应分析.定量地比较了结构风振响应中背景分量和共振分量的贡献,研究了参振模态数目、力谱交叉项和结构阻尼比等参数的作用效果,并与冷却塔气弹模型测振风洞试验结果进行了比较.     

铁路隧道提速列车振动测试与荷载模拟

以京广线提速列车为工程背景,采用先进的测试仪器对京广线朱亭隧道结构的动力响应进行现场测试;并对测试数据频响特征进行分析。以此为基础,建立了列车振动荷载的分析模型,确定了列车振动荷载的数定表达式。测试试验研究成果对进一步分析列车提速之后隧道结构的稳定性提供了重要依据。