高速铁路隧道概率极限状态设计研究及应用
发布时间：2021-01-19 01:46
隧道衬砌设计过程中,必须科学合理地应对围岩物理力学参数、支护材料性能等的变异性,才能保证衬砌安全、经济、可靠。当前铁路隧道设计规范以破损阶段法和容许应力法为主,将单一安全系数应用于不同围岩条件、不同衬砌类型的设计,造成一定的材料浪费和安全风险。铁路隧道近似概率极限状态设计的研究多直接引用其它工程结构的研究成果,缺乏对衬砌抗力和作用效应的详细研究,存在部分概念模糊和统计数据可信度不高的情况。另外,隧道衬砌可靠指标计算广泛采用JC法,忽略了衬砌受力状态的不确定性,计算步骤不够严谨,计算结果可能存在偏差。鉴于此,本文以时速350km、250km客运专线铁路双线、单线隧道复合式衬砌为研究对象,提出了隧道衬砌可靠指标的优化计算方法,明确衬砌抗力和作用效应的概念和计算方法,对以分项系数形式表达的高速铁路隧道衬砌概率极限状态设计进行了研究。主要工作及研究结论如下:（1）采用Monte Carlo方法,抽样计算高速铁路隧道28种衬砌的力学响应,得到各单元轴力、弯矩及偏心距的统计特征和分布类型;利用MATLAB编制了有约束可靠指标优化的求解程序,通过与JC法求解的对比分析,证明了 Global Sear...
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：142 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１研究技术路线??Ｆｉｇ．?１－１?Ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ?Ｒｏｕｔｅ??
衬砌厚度作为基本输入变量；抽样计算中对各变量取９５％的保证率。??本研宄选取从拱顶到拱底各代表单元的弯矩、轴力、偏心距作为输出变量，??如图２－１为梁单元编号示意图，从拱顶至拱底均匀选取４９个单元。ＡｎｓｙｓＰＤＳ模??块自带的可靠性分析功能仅能输出图片格式的抽样结果，过于粗略。因此本研宄??按照Ｐｙｔｈｏｎ语言格式，编写输出变量的储存代码，将每次抽样计算的输出变量追??加写入ｔｘｔ文件，最终通过统计软件进行统计分析。??〇??８１??９７??图２－１衬砌单元编号示意图??Ｆｉｇ．?２－１?Ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?Ｌｉｎｉｎｇｓ’?Ｅｌｅｍｅｎｔ?Ｎｕｍｂｅｒ??拉丁超立方抽样方法具有较好的一维投影和均匀分层分布特性，可以均匀地??覆盖到概率分布的上下限值，因此抽样方法选择拉丁超立方抽样。为确定Ｍｏｎｔｅ??Ｃａｒｌｏ法模拟次数，选取时速３５０ｋｍ高速铁路双线隧道衬砌（ＩＩＩ级围岩、浅埋），??编制了?ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ有限元计算程序，分析其输出力学响应特征随抽样次数变化情??况。如图２－２是其拱顶位置轴力、弯矩的均值和变异系数随抽样次数增加变化情??况。当抽样次数达９０００次时
列出ＩＩ级围岩浅埋衬砌力学响应量的分布拟合结果。选取从拱顶到拱底的第１、??２１、３９、５９、７７、９７号单元，利用Ｏｒｉｇｉｎ统计分析功能进行轴力和弯矩的分布拟??合，拟合结果分别见图２－３和图２－４。??分布拟合的拟合优度是拟合程度的指标，拟合优度＃和调整拟合优度常??被用作由样本数据得到的回归模型对总体的拟合优度指标，越接近１表明拟合效??果较好。从表２－１２可以看出，对轴力和弯矩的抽样结果比较符合正态分布。其他??衬砌类型及不同单元的抽样数据亦大致服从正态分布，虽然不能完全符合正态分??布在整个坐标轴上分布的性质，但在一定保证率内去除掉极端情况，正态分布假??设不失为一种好的方法。??表２－１２正态分布拟合优度??Ｔａｂｌｅ?２－１２?Ｇｏｏｄｎｅｓｓ?ｏｆ?ｆｉｔｔｉｎｇ?ｏｆ?ｎｏｒｍａｌ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ??单元编号?１?２１?３９?５９?７７?９７??Ｒ２?０．９９６４?０．９９６５?０．９９７６?０．９９６６?０．９９６１?０．９９４１??轴力??＾ａｄｊ?０．９９６２?０．９９６４?０．９９７５?０．９９８６?０．９９５９?０．９９３８??Ｒ２?０．９９６４?０．９９６５?０．９９７６?０．９９８６?０．９９６１?０．９９４１??弯矩?２??Ｒａｄｊ?０．９９６２?０．９９６４?０．９９７５?０．９９８６?０．９９５９?０．９９３８??１６??
【参考文献】：
期刊论文
[1]截至2018年底中国铁路隧道情况统计[J]. 赵勇,田四明. 隧道建设(中英文). 2019(02)
[2]铁路隧道作用(荷载)组合研究[J]. 李磊,谭忠盛. 铁道学报. 2017(01)
[3]不同类型明洞结构的可靠度对比分析[J]. 谭忠盛,李磊,孟德鑫,陈立保,王海. 铁道工程学报. 2016(05)
[4]铁路隧道复合式衬砌可靠度的分布规律研究[J]. 刘强,谭忠盛,李少孟. 北京交通大学学报. 2016(01)
[5]铁路隧道洞门目标可靠度及分项系数确定方法[J]. 周佳媚,蒙国往,高波,严启. 铁道工程学报. 2015(10)
[6]铁路隧道复合衬砌内力计算方法研究[J]. 宋玉香,刘勇,齐键旭. 铁道工程学报. 2015(08)
[7]铁路隧道复合式衬砌作用效应统计特征分析[J]. 宋玉香,刘勇,齐键旭,张晓静. 铁道工程学报. 2015(06)
[8]铁路隧道衬砌目标可靠指标研究[J]. 赵东平,喻渝,赵万强,宋玉香,路军富. 铁道工程学报. 2015(06)
[9]铁路隧道衬砌结构分项系数的优化分析研究[J]. 喻渝,赵东平,宋玉香,张晓静,齐键旭. 铁道工程学报. 2015(06)
[10]基于最大熵原理与最优化方法的隧道衬砌结构可靠度分析[J]. 张道兵,杨小礼,朱川曲,王卫军. 中南大学学报(自然科学版). 2012(02)
硕士论文
[1]铁路隧道复合式衬砌计算模型及结构可靠度分析[D]. 齐键旭.石家庄铁道大学 2014
本文编号：2986088
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：142 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１研究技术路线??Ｆｉｇ．?１－１?Ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ?Ｒｏｕｔｅ??
衬砌厚度作为基本输入变量；抽样计算中对各变量取９５％的保证率。??本研宄选取从拱顶到拱底各代表单元的弯矩、轴力、偏心距作为输出变量，??如图２－１为梁单元编号示意图，从拱顶至拱底均匀选取４９个单元。ＡｎｓｙｓＰＤＳ模??块自带的可靠性分析功能仅能输出图片格式的抽样结果，过于粗略。因此本研宄??按照Ｐｙｔｈｏｎ语言格式，编写输出变量的储存代码，将每次抽样计算的输出变量追??加写入ｔｘｔ文件，最终通过统计软件进行统计分析。??〇??８１??９７??图２－１衬砌单元编号示意图??Ｆｉｇ．?２－１?Ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?Ｌｉｎｉｎｇｓ’?Ｅｌｅｍｅｎｔ?Ｎｕｍｂｅｒ??拉丁超立方抽样方法具有较好的一维投影和均匀分层分布特性，可以均匀地??覆盖到概率分布的上下限值，因此抽样方法选择拉丁超立方抽样。为确定Ｍｏｎｔｅ??Ｃａｒｌｏ法模拟次数，选取时速３５０ｋｍ高速铁路双线隧道衬砌（ＩＩＩ级围岩、浅埋），??编制了?ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ有限元计算程序，分析其输出力学响应特征随抽样次数变化情??况。如图２－２是其拱顶位置轴力、弯矩的均值和变异系数随抽样次数增加变化情??况。当抽样次数达９０００次时
列出ＩＩ级围岩浅埋衬砌力学响应量的分布拟合结果。选取从拱顶到拱底的第１、??２１、３９、５９、７７、９７号单元，利用Ｏｒｉｇｉｎ统计分析功能进行轴力和弯矩的分布拟??合，拟合结果分别见图２－３和图２－４。??分布拟合的拟合优度是拟合程度的指标，拟合优度＃和调整拟合优度常??被用作由样本数据得到的回归模型对总体的拟合优度指标，越接近１表明拟合效??果较好。从表２－１２可以看出，对轴力和弯矩的抽样结果比较符合正态分布。其他??衬砌类型及不同单元的抽样数据亦大致服从正态分布，虽然不能完全符合正态分??布在整个坐标轴上分布的性质，但在一定保证率内去除掉极端情况，正态分布假??设不失为一种好的方法。??表２－１２正态分布拟合优度??Ｔａｂｌｅ?２－１２?Ｇｏｏｄｎｅｓｓ?ｏｆ?ｆｉｔｔｉｎｇ?ｏｆ?ｎｏｒｍａｌ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ??单元编号?１?２１?３９?５９?７７?９７??Ｒ２?０．９９６４?０．９９６５?０．９９７６?０．９９６６?０．９９６１?０．９９４１??轴力??＾ａｄｊ?０．９９６２?０．９９６４?０．９９７５?０．９９８６?０．９９５９?０．９９３８??Ｒ２?０．９９６４?０．９９６５?０．９９７６?０．９９８６?０．９９６１?０．９９４１??弯矩?２??Ｒａｄｊ?０．９９６２?０．９９６４?０．９９７５?０．９９８６?０．９９５９?０．９９３８??１６??
【参考文献】：
期刊论文
[1]截至2018年底中国铁路隧道情况统计[J]. 赵勇,田四明. 隧道建设(中英文). 2019(02)
[2]铁路隧道作用(荷载)组合研究[J]. 李磊,谭忠盛. 铁道学报. 2017(01)
[3]不同类型明洞结构的可靠度对比分析[J]. 谭忠盛,李磊,孟德鑫,陈立保,王海. 铁道工程学报. 2016(05)
[4]铁路隧道复合式衬砌可靠度的分布规律研究[J]. 刘强,谭忠盛,李少孟. 北京交通大学学报. 2016(01)
[5]铁路隧道洞门目标可靠度及分项系数确定方法[J]. 周佳媚,蒙国往,高波,严启. 铁道工程学报. 2015(10)
[6]铁路隧道复合衬砌内力计算方法研究[J]. 宋玉香,刘勇,齐键旭. 铁道工程学报. 2015(08)
[7]铁路隧道复合式衬砌作用效应统计特征分析[J]. 宋玉香,刘勇,齐键旭,张晓静. 铁道工程学报. 2015(06)
[8]铁路隧道衬砌目标可靠指标研究[J]. 赵东平,喻渝,赵万强,宋玉香,路军富. 铁道工程学报. 2015(06)
[9]铁路隧道衬砌结构分项系数的优化分析研究[J]. 喻渝,赵东平,宋玉香,张晓静,齐键旭. 铁道工程学报. 2015(06)
[10]基于最大熵原理与最优化方法的隧道衬砌结构可靠度分析[J]. 张道兵,杨小礼,朱川曲,王卫军. 中南大学学报(自然科学版). 2012(02)
硕士论文
[1]铁路隧道复合式衬砌计算模型及结构可靠度分析[D]. 齐键旭.石家庄铁道大学 2014
本文编号：2986088
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