基于損傷理論的高速鐵路隧道振動(dòng)響應(yīng)分析及疲勞壽命研究.pdf

1、針對(duì)目前國內(nèi)外對(duì)高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)研究相對(duì)滯后,特別是對(duì)列車動(dòng)載作用下隧道結(jié)構(gòu)的損傷特性和疲勞性能研究嚴(yán)重不足的現(xiàn)狀,本文以國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50778178)為依托,以我國現(xiàn)行設(shè)計(jì)的典型雙線高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,采用理論分析、數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)的研究方法,系統(tǒng)地研究了襯砌結(jié)構(gòu)在列車振動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)和損傷特性,量化了襯砌結(jié)構(gòu)的損傷程度,深入探討了高速鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)的疲勞壽命和破壞機(jī)理,為我國高速鐵路隧道的合理設(shè)

2、計(jì)與施工提供了重要參考依據(jù)。主要研究?jī)?nèi)容與成果如下:
　　 (1)在已有損傷模型的基礎(chǔ)上,分別建立考慮初始損傷效應(yīng)的混凝土單軸拉、壓應(yīng)力損傷方程及損傷演化方程,提出了拉、壓應(yīng)力損傷的具體組合模式,通過定義由拉、壓應(yīng)力損傷組成的雙標(biāo)量損傷變量來描述混凝土的材料特性;并將雙標(biāo)量損傷變量引入到經(jīng)典的Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則中,采用非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則建立了混凝土材料的彈塑性損傷本構(gòu)模型。
　　 (2)根據(jù)建立的混凝土彈塑

3、性損傷本構(gòu)模型,給出了損傷本構(gòu)模型具體的數(shù)值算法和計(jì)算流程,包括彈性預(yù)測(cè)、塑性修正、損傷修正及應(yīng)力修正;編制了混凝土彈塑性損傷本構(gòu)模型的相應(yīng)計(jì)算程序,并利用有限差分軟件FLAC5.0所提供的二次開發(fā)程序接口實(shí)現(xiàn)了混凝土彈塑性損傷本構(gòu)模型的數(shù)值分析程序化;采用開發(fā)的損傷本構(gòu)模型對(duì)前人完成的混凝土試件疲勞破壞試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬,通過對(duì)比分析驗(yàn)證了模型的有效性,為損傷本構(gòu)模型的實(shí)際工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
　　 (3)針對(duì)我國現(xiàn)行設(shè)計(jì)的Ⅳ級(jí)

4、、Ⅴ級(jí)圍巖條件下的雙線高速鐵路隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面(非加強(qiáng)型),采用開發(fā)的損傷本構(gòu)模型系統(tǒng)地研究了襯砌結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)和損傷特性;根據(jù)提出的隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)在列車振動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析。結(jié)果表明:襯砌結(jié)構(gòu)的動(dòng)力損傷演化過程與其動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程相對(duì)應(yīng);襯砌結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)和損傷量隨列車速度的提高而增大;圍巖條件對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)(特別是仰拱部位)的動(dòng)力響應(yīng)和動(dòng)力損傷影響較為顯著;襯砌動(dòng)力損傷與初始損傷狀態(tài)密切相關(guān),初始損傷越大,列

5、車振動(dòng)引起的動(dòng)力損傷越大,即結(jié)構(gòu)新增損傷量越大。
　　 (4)采用模型試驗(yàn)研究手段,對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖條件下的高速鐵路隧道底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三種加載頻率(即列車速度)下的動(dòng)力模型試驗(yàn),重點(diǎn)分析了仰拱結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)以及仰拱動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)變、動(dòng)力系數(shù)、軌面累積沉降與加載頻率(即車速)、加載次數(shù)之間的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明:仰拱底部的環(huán)向應(yīng)力和縱向應(yīng)力主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力,環(huán)向應(yīng)力較縱向應(yīng)力大;仰拱動(dòng)力系數(shù)存在方向性,仰拱環(huán)向動(dòng)力系數(shù)明顯較縱向動(dòng)力系數(shù)

6、大;仰拱各向應(yīng)力、動(dòng)力系數(shù)以及軌面累積沉降均隨加載頻率(即列車速度)的提高而增大;仰拱動(dòng)應(yīng)變、軌面累積沉降與振動(dòng)作用次數(shù)大致存在對(duì)數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系。
　　 (5)基于數(shù)值分析和動(dòng)力模型試驗(yàn)的研究成果,分別采用混凝土彎曲抗拉S-N疲勞方程和Miner線性疲勞累積損傷理論對(duì)高速鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。預(yù)測(cè)結(jié)果表明:在本文計(jì)算條件下和預(yù)估的高速列車車流量條件下,Ⅳ級(jí)圍巖條件下的高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)滿足基準(zhǔn)期內(nèi)(100年)的抗疲