列車-隧道動(dòng)力耦合系統(tǒng)數(shù)值模擬方法及應(yīng)用.pdf

1、隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，地鐵、輕軌、有軌電車以及磁浮列車等有軌交通系統(tǒng)也進(jìn)入大發(fā)展時(shí)期，而地面空間日益擁擠，使得隧道成為交通系統(tǒng)建設(shè)中的重要項(xiàng)目，這為研究列車-隧道動(dòng)力耦合系統(tǒng)提供了重要的現(xiàn)實(shí)需求。數(shù)值模擬技術(shù)可以使許多過去受客觀條件限制無法有效地進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)和理論分析的復(fù)雜問題，通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬得到滿意的解答，節(jié)省大量的時(shí)間。本文將列車-隧道動(dòng)力耦合系統(tǒng)考慮為統(tǒng)一的整體，結(jié)合高性能計(jì)算平臺(tái)，研究了列車-隧道動(dòng)力耦合

2、系統(tǒng)的數(shù)值模擬方法，并在具體工程實(shí)例的研究中得到了驗(yàn)證和應(yīng)用，主要研究?jī)?nèi)容包括:
　　研究了列車-隧道動(dòng)力耦合系統(tǒng)的數(shù)值建模方法:采用等效模擬試驗(yàn)方法，建立盾構(gòu)隧道正交各向異性等效模型，在滿足實(shí)際工程計(jì)算要求的情況下，考慮了隧道橫向和縱向不同的力學(xué)特性。采用有限元方法構(gòu)建列車多剛體模型，將剛體列車和變形體結(jié)構(gòu)模型通過有限元方法統(tǒng)一起來，避免了多剛體方法與有限元方法的交互困難。系統(tǒng)中磁浮列車與軌道梁，輪軌列車與軌道，雙層襯砌隧道，隧

3、道與土體中的耦合作用采用不同的動(dòng)力耦合模型。結(jié)合彈塑性分層土體模型，利用PML人工邊界模擬地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析時(shí)的半無限地基邊界。
　　研究了列車-隧道動(dòng)力耦合系統(tǒng)的高性能計(jì)算方法:列車-隧道大型動(dòng)力非線性耦合系統(tǒng)計(jì)算規(guī)模巨大，綜合考慮系統(tǒng)初始靜應(yīng)力場(chǎng)和后續(xù)動(dòng)力學(xué)計(jì)算，采用變時(shí)間步長的顯式積分算法求解，避免了算法切換造成的模型轉(zhuǎn)換困難，在計(jì)算收斂性和環(huán)境適應(yīng)性上具有優(yōu)勢(shì)。結(jié)合上海超算中心曙光5000A高性能計(jì)算平臺(tái)，基于遞歸二分法，

4、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了列車-隧道動(dòng)態(tài)均衡的分區(qū)方法，以磁浮列車-隧道和軌道列車-隧道兩個(gè)動(dòng)力耦合系統(tǒng)作為工程應(yīng)用實(shí)例，證實(shí)了該分區(qū)方法具有更好的并行計(jì)算效率。
　　開展了磁浮列車-隧道動(dòng)力耦合系統(tǒng)數(shù)值模擬應(yīng)用研究。以磁浮上海機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線越江隧道為工程應(yīng)用對(duì)象，按照施工圖紙和地質(zhì)勘探資料，建立了磁浮列車-軌道梁-隧道-土體系統(tǒng)的三維精細(xì)有限元模型，全面考慮了盾構(gòu)隧道正交各向異性特征、雙層襯砌動(dòng)態(tài)耦合作用等因素的影響。越江隧道還未建成，不能通過與試

5、驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較來驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算模型，但上海已有高架磁浮線路，所以采用相同的建模與計(jì)算方法，建立磁浮列車與高架線路的動(dòng)力耦合系統(tǒng)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果的加速度振級(jí)隨場(chǎng)地距離的衰減關(guān)系比較接近，證實(shí)了模型和方法的可行性。隧道中“π”型軌道梁跨中撓度的動(dòng)力放大系數(shù)與德國設(shè)計(jì)規(guī)范的誤差也較小。首先計(jì)算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的初始靜應(yīng)力場(chǎng)，以此為基礎(chǔ)，計(jì)算了單車運(yùn)行和雙車交會(huì)時(shí)耦合系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)。計(jì)算結(jié)果表明:磁浮列車動(dòng)載荷對(duì)外層和內(nèi)層襯砌影響較小，但對(duì)軌

6、道梁結(jié)構(gòu)影響顯著;雙車交會(huì)與單車運(yùn)行相比，軌道梁跨中撓度、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和內(nèi)外層襯砌耦合應(yīng)力均有明顯增加，但兩種工況下軌道梁跨中撓度均小于設(shè)計(jì)安全值;內(nèi)外層襯砌間耦合應(yīng)力絕對(duì)數(shù)值較小，但磁浮列車動(dòng)載荷引起的耦合應(yīng)力增量與初始靜載荷引起的應(yīng)力值相比不容忽視，耦合應(yīng)力最大值出現(xiàn)在承軌臺(tái)的四個(gè)支柱處，需要在此位置的內(nèi)外層襯砌間加入螺栓連接，以增強(qiáng)連接強(qiáng)度。
　　開展了軌道列車-隧道動(dòng)力耦合系統(tǒng)數(shù)值模擬應(yīng)用。以上海崇明長江公鐵兩用雙線隧道為工程

7、應(yīng)用對(duì)象，按照施工圖紙和地質(zhì)勘探資料，建立了軌道列車-軌道-道床-隧道-聯(lián)絡(luò)通道-土體系統(tǒng)的三維精細(xì)有限元模型，全面考慮了盾構(gòu)隧道正交各向異性特征、聯(lián)絡(luò)通道處變形縫結(jié)構(gòu)等因素的影響。數(shù)值模擬了初始工況、列車運(yùn)行時(shí)軌道列車-隧道動(dòng)力耦合系統(tǒng)的響應(yīng)。計(jì)算結(jié)果表明:公路汽車載荷和軌道列車載荷對(duì)襯砌變形和應(yīng)力的影響相對(duì)較小;在聯(lián)絡(luò)通道和主隧道連接位置，應(yīng)力集中值約為普通隧道斷面處的三倍，需要進(jìn)行加固以避免疲勞損傷;聯(lián)絡(luò)通道處變形縫的變形縫相對(duì)位