基于損傷理論的高速鐵路隧道振動響應(yīng)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(jié)構(gòu)動力響應(yīng)研究相對滯后,特別是對列車動載作用下隧道結(jié)構(gòu)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(shè)計的典型雙線高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在列車振動荷載作用下的動力響應(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理,為我國高速鐵路隧道的合理設(shè)

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(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(guān)聯(lián)流動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)值算法和計算流程,包括彈性預(yù)測、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(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(gòu)模型的實際工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
　　 (3)針對我國現(xiàn)行設(shè)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(gòu)模型系統(tǒng)地研究了襯砌結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)和損傷特性;根據(jù)提出的隧道結(jié)構(gòu)振動評價標準,對襯砌結(jié)構(gòu)在列車振動荷載作用下的動力響應(yīng)進行了評價分析。結(jié)果表明:襯砌結(jié)構(gòu)的動力損傷演化過程與其動力響應(yīng)時程相對應(yīng);襯砌結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)和損傷量隨列車速度的提高而增大;圍巖條件對襯砌結(jié)構(gòu)(特別是仰拱部位)的動力響應(yīng)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(guān),初始損傷越大,列

5、車振動引起的動力損傷越大,即結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的受力特點以及仰拱動應(yīng)力、動應(yīng)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(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(yīng)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(yīng)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(guān)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(jié)構(gòu)的疲勞壽命進行了預(yù)測分析。預(yù)測結(jié)果表明:在本文計算條件下和預(yù)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(jié)構(gòu)滿足基準期內(nèi)(100年)的抗疲