列车振动荷载作用下隧道衬砌结构动力响应特性分析

论述隧道衬砌结构动力有限元分析的理论与数值计算方法，并以京广线朱亭隧道列车振动荷载现场测试成果为基础，通过对3种不同断面形状的隧道衬砌结构的动力响应特征进行分析研究，可获得隧道衬砌结构竖向位移、竖向加速度及各种内力时程曲线。研究成果对评价既有提速铁路隧道衬砌结构的动力稳定性和完善铁路隧道结构的设计理论具有一定的指导意义。     

列车动载下衬砌厚度对隧道结构动力响应的影响研究

以北京市某在建地铁盾构区间为工程背景,探究列车动载下衬砌厚度对隧道结构动力响应的影响。采用英国几何不平顺值提供的公式模拟列车运行过程中产生的激振力,研究80 km/h车速下隧道结构不同监测点的动力响应。运用有限差分软件FLAC3D建立计算模型,计算分析了250、300、350、400、450 mm 5种管片厚度下结构的动力响应。通过计算得出:列车动载下结构出现整体运动趋势;位置特点相同的监测点具有更加相近的振动时程曲线;隧道两拱脚及拱顶和仰拱处均产生位移差,进而引起附加应力;最大主应力峰值远小于结构材料的极限抗拉强度;管片厚度较大的结构在动力响应方面表现出一定的优势。     

内爆炸作用下隧道衬砌结构动力响应数值分析

为准确研究内爆炸作用下隧道衬砌结构的动力响应,建立了“炸药 空气 结构 土体”流固耦合模型对全比例隧道衬砌结构的内爆炸试验进行了数值模拟。模拟首先采用精细网格的一维轴对称模型计算起爆阶段爆炸波在自由场中的传播,并在爆炸波抵达衬砌结构前将一维轴对称模型计算结果映射至三维流固耦合模型中继续计算爆炸波、衬砌结构以及土体的相互作用。数值模拟获取的超压时程及衬砌结构破坏形态与试验结果吻合较好,说明了所建立数值模型以及映射模拟方法的适用性。基于数值仿真结果对于隧道衬砌内爆炸过程的爆炸波流场特征进行了分析。研究表明：偏心爆炸工况下冲击波在爆炸远区出现了较长时间的汇集,此区域的衬砌结构承受了较大的冲击波超压及冲量作用,为抗爆设计的薄弱部位。     

纤维混凝土隧道衬砌地震动力响应特性的振动台试验研究

 为研究纤维混凝土隧道衬砌在地震动力作用下的动响应特性,对普通混凝土隧道衬砌与纤维混凝土隧道衬砌开展大型振动台模型试验,分析隧道衬砌的震害特征、地震动应变、结构内力和应变基线响应规律。试验结果表明：水平地震荷载及地层压力共同作用下,2种隧道衬砌均为仰拱最先开裂,其次为拱腰开裂,衬砌结构破坏模式主要为开裂、掉块和裂缝两侧挤压破坏;素混凝土隧道衬砌出现开裂破坏早,裂缝易贯通,裂缝两侧混凝土基体在振动过程中相对位移大;纤维混凝土隧道衬砌出现开裂破坏晚,裂缝两侧混凝土基体在振动过程中相对位移小,裂缝呈挤压破坏状;纤维延缓衬砌结构裂缝的产生和阻碍裂缝的扩展;地震波加速度峰值从0.1 g增大到1.0 g时,素混凝土隧道衬砌动应变极值和裂缝宽度显著增大,而纤维混凝土隧道衬砌动应变极值和裂缝宽度先在一定范围内缓慢增长然后迅速增大,但最终2种衬砌动应变极值和裂缝宽度大致相等,说明纤维混凝土隧道衬砌在一定地震荷载范围内可以有效避免开裂和减小裂缝宽度;纤维混凝土隧道衬砌压缩变形率较小,当输入地震波加速度峰值为0.1 g和0.4 g时,纤维混凝土隧道衬砌结构动弯矩极值较低,受力更均衡,能有效地抵御地震荷载。     

铁路隧道衬砌结构可靠度分析

本文提出一个与地面结构相似的铁路隧道衬砌结构可靠度分析方法．此法是根据铁路隧道现行规范和已有的统计数据拟定的．当然它亦可推广到适用其它规范的情况下．目前,国内外尚没有被广泛接受的隧道支护结构可靠度分析方法,故本文所提方法可以认为是一次有益的赏试．     

桥隧相连段隧道衬砌动力特性探讨

以宜万铁路160km／h单线隧道为例，研究了桥隧相连地段隧道结构在静载以及列车振动荷载下的响应，探讨了列车振动荷载下衬砌结构的薄弱部位及其相应的位移和应力。     

轨道结构参数对隧道地面点动力响应的影响分析

首先，以双层弹簧阻尼支撑Timoshenko梁作为轨道结构的力学模型，求得作用于基床表面的荷载；然后，以移动荷载作用下空间体作为地铁列车作用下隧道系统的力学模型，并在其动力响应广义Duhamel积分解的基础上，结合数值拟合的传递函数，给出不同轨道结构参数时地铁列车荷载作用下地面点动力响应的时程和频谱曲线，进而分析轨道结构参数对隧道地面点动力响应的影响。     

隧道衬砌模板支撑结构受力分析

假定隧道二次衬砌处于稳定围岩压力作用下,采用"田"字形支撑结构,利用结构力学刚性连接形式,推导出了结构内力与变形计算公式,并且通过实际工程案例作了计算分析,指出利用结构力学方法推导的计算公式为隧道衬砌支撑结构计算提供了新途径。     

隧道衬砌厚度的分布规律和结构可靠性分析

通过对新建公路隧道衬砌厚度现场的调查，运用数理统计方法总结了厚度变化的统计规律，进行了可靠度分析，并分析其对工程成本的影响。     

不等跨连拱隧道衬砌结构可靠度分析

应用基于神经网络的随机有限元理论,把截面抗压强度条件视为承载能力极限状态,截面受拉开裂条件视为正常使用极限状态,进行高速公路不等跨连拱隧道衬砌结构可靠度分析,得出了衬砌结构可靠度指标的分布规律和衬砌结构的破坏规律.按照抗压强度条件计算,大洞比小洞相应单元的可靠指标小一些,说明大洞破坏的可能性比小洞大一些,不等跨效应明显.隧道的最小可靠指标在大洞的侧墙处,即大洞的侧墙很可能最先被压坏.抗裂可靠指标最小的单元在拱顶,尤以大洞拱顶单元最小,拱项和拱腰是最容易拉裂破坏的地方.     

基础隔震结构在地震作用下动力响应小波分析

在多自由度基础隔震动力学响应计算模型的基础上 ,采用小波变换将地震输入能量在各个频段进行分解 ,对隔震系统在各个频段的地震作用下的动力反应进行了动力学分析。并采用文中的方法对一实际工程进行了分析 ,结果表明 :基础隔震体系可以有效地降低上部结构的地震反应 ;低频分量的地震作用对结构的作用较大 ,而高频分量的作用衰减较快 ,可以不予考虑。     

地震作用下大型地铁车站结构三维动力反应分析

引入三维等效黏弹性边界单元,阐述波动散射问题的自由波场输入方法,推广应用于三维水平成层半空间模型,采用集中有限元质量模型和有限差分的概念将地震动场转化为施加在人工边界节点上的等效荷载。基于某大型地铁车站,利用大型通用有限元ABAQUS软件建立考虑土–结构动力相互作用的三维有限元整体计算模型,通过局部人工边界的施加,实现了开放系统向封闭系统的转换,对土–地铁车站结构动力相互作用的整体三维模型进行模态分析,得到车站以及地基的振型特征。分析地铁车站结构在SV波及P波地震波作用下的反应,得到相应的内力分布规律和结构不利位置。从分析结果可以看出,地震波横向SV波输入时对车站结构最不利,结构刚度突变位置的构件内力也存在突变,而P波对结构的轴力影响较大。     

考虑地震非平稳性的隧道纵向抗震可靠度分析

考虑地震运动的非平稳性,将沉埋隧道地震反应分析的数学模型应用于隧道纵向随机地震响应及其抗震动力可靠度分析。从有限元动力分析的基本原理出发,利用脉冲响应函数和傅立叶变换原理,结合随机振动理论,研究了将地震荷载作为非平稳随机过程时隧道纵向随机地震响应及其抗震动力可靠度分析方法,建立了地下结构随机地震响应数字特征及其抗震动力可靠度的计算表达式。以南京长江越江隧道初步设计方案(沉管段)为例,计算了其在非平稳随机过程地震动作用下的动力反应均方根值和纵向抗震动力可靠度,并研究了管段接头的抗震可靠度。     

复杂围岩隧道洞口段动力响应特性分析

阐述了基于小波变换的隧道洞口段三维动力有限元分析的时域分析法,建立了相应的有限元分析模型,对提速列车振动荷载作用下,不同围岩条件隧道洞口段动力响应特性进行分析研究,得出了隧道洞口段不同围岩条件下的时程响应规律。研究成果对进一步分析提速铁路隧道洞口段的动力稳定性具有重要意义。     

浅埋地下结构中柱动力响应研究

阪神地震中地铁车站遭受了严重破坏。破坏基本都是由于中柱坍塌引起的,这表明中柱是浅埋地下结构抗震的薄弱环节。运用有限差分软件FLAC对地下结构中柱的内力进行静、动力分析,并对北京地区典型的地铁车站结构缩尺模型在地震作用下的中柱动力响应进行振动台试验验证,揭示中柱受地震力破坏的机理,为地下结构抗震设计提供依据。     

海底隧道衬砌结构设计

 海底隧道围岩水通常具有稳定水位和充足补给,隧道结构受长期的水压力作用,衬砌计算中应首先确定水压力荷载大小,并综合考虑隧道涌水量的大小,由此对衬砌断面的拟定、衬砌类型的选择、衬砌结构安全性进行评价计算。正在建设的厦门翔安海底隧道衬砌结构设计时,通过不同防排水方式下衬砌背后水压力特征的模型试验表明,作用于全封闭衬砌上的水压力是不能折减的;根据陆域和海域不同地段预测全隧道涌水量,由于无法满足运营期间的排水,衬砌结构必须采用全封闭形式或限制排放形式;利用ANSYS有限元软件,根据外水压力大小与围岩压力组合下对不同的隧道衬砌断面进行对比分析计算,以得出结构受力最为经济合理的断面形式;并以此断面按荷载结构模式法进行全封闭衬砌结构计算。计算结果及建设的实际情况表明衬砌受力合理。     

一种基于Hamilton变分原理的索单元动力分析模型

利用Hamilton变分原理,以较少自由度索单元模型分析某单跨倾斜索的振动问题。该索模型全面考虑索及支承点3个方向的位移,能代表各种索支承的结构动力分析。无阻尼自由振动下的倾斜索的结果经理论对比得到了证实。算例表明,这种索单元模型对索承结构设计初期的振动分析十分合适。     

盾构隧道动力有效应力分析方法研究

耦合场分割算法是求解Biot动力固结方程的一种有效的方法,它能够充分利用现有程序资源,并且在土介质渗透系数较小时能够有效地解决统一算法中容易出现的病态矩阵问题.然而,目前已经提出的Biot方程分割算法都是基于有限元离散方程形式的,难以直接应用于现在软件的二次开发.在对瞬态热传导方程和孔压消散方程的对比研究的基础上,推导一种能够在结构-温度耦合场分析软件（也可以在单独的结构场软件和温度场软件）上实现的Biot方程多次迭代串行分割算法,即在求解Biot方程的第n＋1荷载步时,预先将孔压消散方程中的耦合项（未知量）用某种形式的预测值（已知量）代替,使孔压消散方程中的未知量只剩下节点孔压,从而可独立求解;再代入Biot方程的第1式,求出节点位移;如此循环迭代,即能以解耦的形式完成Biot方程的求解过程.这种方法对不同维数的问题、不同单元类型以及动力或静力问题都适用,并且额外编程量很少,十分便于推广应用和充分利用现有资源.数值算例结果表明,这种方法具有良好的精度和计算稳定性.最后,利用这种方法对武汉长江盾构隧道横断面进行动力有效应力分析,并对该工程地基的液化危险性进行评价.