含空洞缺陷高铁隧道在列车荷载作用下动力学响应规律研究

发布时间：2019-01-12 08:37

【摘要】：高铁隧道运营时会受到运行列车动载作用,但目前高速铁路隧道在列车荷载作用下的动力响应研究较为滞后,尤其是对含空洞等缺陷的隧道衬砌动力学响应研究严重不足。因此,本文依托于国家自然科学基金——高铁联合基金(U1434211),采用现场试验与数值模拟的研究方法,以我国现行的典型双线高速铁路隧道衬砌结构为对象,系统研究了含缺陷与不含缺陷状态下隧道衬砌结构在列车振动荷载作用下衬砌拱圈加速度响应分布特征,深入探讨了含空洞工作的高速铁路隧道衬砌拱圈的振动加速度响应规律,研究结果对揭示含空洞服役的高铁隧道的长期结构动力学性态、结构损伤演变规律、灾变破坏前兆,提高高铁安全运营系数等均具有重要参考意义。主要研究内容与成果如下:(1)运用地质雷达检测方法,结合雷达检测数据、现场调研数据和查阅铁路相关数据资料,采用数理统计方法总结了高速铁路隧道普遍存在的一些病害问题。可知目前铁路隧道病害普遍存在于衬砌拱顶,而病害主要以不密实与空洞为主,且在拱顶位置出现严重等级缺陷的概率较大,为后续研究的重点放在拱顶空洞缺陷提供了现实数据支持。(2)在双线隧道衬砌现场,进行了隧道—路基—轨道作为整体结构在高速列车振动作用下加速度测试试验,通过对实测数据的分析,给出了在某一特定列车时速下的衬砌横向振动加速度与竖向振动加速度沿拱圈的分布规律,并得到了衬砌在近车一侧与远车一侧的振动响应规律;各速度级列车引起隧道衬砌振动频谱可知,在相同测点位置不同速度级振动引起的衬砌振动频率接近,墙脚测点1振动频率为133.125Hz~136.25Hz范围且伴有高频成分响应,墙脚以上1m测点2振动频率为176.25Hz~190Hz范围且高频衰减,墙脚以上2m测点3振动频率为196.875Hz~218.125Hz范围,墙脚以上3m测点4振动频率为190.75Hz~231.25Hz范围,墙脚以上5m测点5振动频率为174.375Hz~178.375Hz,且在测点5位置高频振动衰减明显;不同速度动车组、单机和轨检车通过隧道时引起的衬砌振动加速度主频在130Hz~230Hz之间,且具有200Hz以下传递比较大的特性。(3)简单介绍了动力荷载求解方法在ABAQUS有限元软件中的应用,并运用经典的列车荷载公式进行模型荷载输入。在实测列车轮轨力及频谱分析的基础上,对公式计算中的轨道计算波长与矢高值进行了修正,以用于所测隧道线路轨道不平顺情况,弥补列车荷载实测值的不足,减少采用经典数学公式进行模型计算带来的误差,使得模型荷载计算更贴近于实际。(4)基于ABAQUS有限元软件,建立二维有限元模型模拟了隧道结构在列车荷载作用下,衬砌结构背后在含空洞与不含空洞状态下的拱圈振动加速度响应,模型计算结果与试验结果基本吻合,验证了模型各参数选取的适用性,并初步得到了衬砌拱圈在含空洞与不含空洞状态下的振动加速度响应传递规律;给出了衬砌背后含相同尺寸空洞状态下,不同列车时速对衬砌拱圈振动加速度响应的影响规律;给出了在同一时速列车荷载作用下,不同空洞尺寸对衬砌拱圈振动加速度响应的影响规律,得到了最不利空洞尺寸。(5)建立了隧道三维有限元模型,对隧道衬砌背后不含空洞、含平行空洞与错位空洞的模型中衬砌振动加速度响应进行了研究,得到平行空洞对隧道衬砌振动响应影响更大的结论;并且针对平行空洞的模型,分别从空洞宽度、长度与洞间距等方面,对空洞间的衬砌振动加速度响应进行了研究,得到了多空洞存在状态下空洞宽度、长度与空洞间距离对衬砌拱圈振动加速度影响的最不利状态因素。
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【学位授予单位】：中国铁道科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：U451.3

【参考文献】