基于損傷理論的高速鐵路隧道振動響應分析及疲勞壽命研究.pdf

1、針對目前國內(nèi)外對高速鐵路隧道結構動力響應研究相對滯后,特別是對列車動載作用下隧道結構的損傷特性和疲勞性能研究嚴重不足的現(xiàn)狀,本文以國家自然科學基金項目(50778178)為依托,以我國現(xiàn)行設計的典型雙線高速鐵路隧道結構為研究對象,采用理論分析、數(shù)值計算和模型試驗的研究方法,系統(tǒng)地研究了襯砌結構在列車振動荷載作用下的動力響應和損傷特性,量化了襯砌結構的損傷程度,深入探討了高速鐵路隧道襯砌結構的疲勞壽命和破壞機理,為我國高速鐵路隧道的合理設

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

3、性損傷本構模型,給出了損傷本構模型具體的數(shù)值算法和計算流程,包括彈性預測、塑性修正、損傷修正及應力修正;編制了混凝土彈塑性損傷本構模型的相應計算程序,并利用有限差分軟件FLAC5.0所提供的二次開發(fā)程序接口實現(xiàn)了混凝土彈塑性損傷本構模型的數(shù)值分析程序化;采用開發(fā)的損傷本構模型對前人完成的混凝土試件疲勞破壞試驗進行數(shù)值模擬,通過對比分析驗證了模型的有效性,為損傷本構模型的實際工程應用奠定了基礎。
　　 (3)針對我國現(xiàn)行設計的Ⅳ級

4、、Ⅴ級圍巖條件下的雙線高速鐵路隧道標準斷面(非加強型),采用開發(fā)的損傷本構模型系統(tǒng)地研究了襯砌結構的動力響應和損傷特性;根據(jù)提出的隧道結構振動評價標準,對襯砌結構在列車振動荷載作用下的動力響應進行了評價分析。結果表明:襯砌結構的動力損傷演化過程與其動力響應時程相對應;襯砌結構的動力響應和損傷量隨列車速度的提高而增大;圍巖條件對襯砌結構(特別是仰拱部位)的動力響應和動力損傷影響較為顯著;襯砌動力損傷與初始損傷狀態(tài)密切相關,初始損傷越大,列

5、車振動引起的動力損傷越大,即結構新增損傷量越大。
　　 (4)采用模型試驗研究手段,對Ⅴ級圍巖條件下的高速鐵路隧道底部結構進行了三種加載頻率(即列車速度)下的動力模型試驗,重點分析了仰拱結構的受力特點以及仰拱動應力、動應變、動力系數(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。試驗結果表明:仰拱底部的環(huán)向應力和縱向應力主要表現(xiàn)為拉應力,環(huán)向應力較縱向應力大;仰拱動力系數(shù)存在方向性,仰拱環(huán)向動力系數(shù)明顯較縱向動力系數(shù)

6、大;仰拱各向應力、動力系數(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;仰拱動應變、軌面累積沉降與振動作用次數(shù)大致存在對數(shù)增長關系。
　　 (5)基于數(shù)值分析和動力模型試驗的研究成果,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高速鐵路隧道襯砌結構的疲勞壽命進行了預測分析。預測結果表明:在本文計算條件下和預估的高速列車車流量條件下,Ⅳ級圍巖條件下的高速鐵路隧道結構滿足基準期內(nèi)(100年)的抗疲