含空洞缺陷高鐵隧道在列車荷載作用下動(dòng)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律研究.pdf

1、高鐵隧道運(yùn)營(yíng)時(shí)會(huì)受到運(yùn)行列車動(dòng)載作用，但目前高速鐵路隧道在列車荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)研究較為滯后，尤其是對(duì)含空洞等缺陷的隧道襯砌動(dòng)力學(xué)響應(yīng)研究嚴(yán)重不足。因此，本文依托于國(guó)家自然科學(xué)基金——高鐵聯(lián)合基金(U1434211)，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬的研究方法，以我國(guó)現(xiàn)行的典型雙線高速鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)為對(duì)象，系統(tǒng)研究了含缺陷與不含缺陷狀態(tài)下隧道襯砌結(jié)構(gòu)在列車振動(dòng)荷載作用下襯砌拱圈加速度響應(yīng)分布特征，深入探討了含空洞工作的高速鐵路隧道襯砌拱圈的振

2、動(dòng)加速度響應(yīng)規(guī)律，研究結(jié)果對(duì)揭示含空洞服役的高鐵隧道的長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性態(tài)、結(jié)構(gòu)損傷演變規(guī)律、災(zāi)變破壞前兆，提高高鐵安全運(yùn)營(yíng)系數(shù)等均具有重要參考意義。主要研究?jī)?nèi)容與成果如下:
　　(1)運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)方法，結(jié)合雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)和查閱鐵路相關(guān)數(shù)據(jù)資料，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法總結(jié)了高速鐵路隧道普遍存在的一些病害問(wèn)題?？芍壳拌F路隧道病害普遍存在于襯砌拱頂，而病害主要以不密實(shí)與空洞為主，且在拱頂位置出現(xiàn)嚴(yán)重等級(jí)缺陷的概率較大，為后續(xù)

3、研究的重點(diǎn)放在拱頂空洞缺陷提供了現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)支持。
　　(2)在雙線隧道襯砌現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行了隧道—路基—軌道作為整體結(jié)構(gòu)在高速列車振動(dòng)作用下加速度測(cè)試試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，給出了在某一特定列車時(shí)速下的襯砌橫向振動(dòng)加速度與豎向振動(dòng)加速度沿拱圈的分布規(guī)律，并得到了襯砌在近車一側(cè)與遠(yuǎn)車一側(cè)的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律;各速度級(jí)列車引起隧道襯砌振動(dòng)頻譜可知，在相同測(cè)點(diǎn)位置不同速度級(jí)振動(dòng)引起的襯砌振動(dòng)頻率接近，墻腳測(cè)點(diǎn)1振動(dòng)頻率為133.125Hz～136

4、.25Hz范圍且伴有高頻成分響應(yīng)，墻腳以上1m測(cè)點(diǎn)2振動(dòng)頻率為176.25Hz～190Hz范圍且高頻衰減，墻腳以上2m測(cè)點(diǎn)3振動(dòng)頻率為196.875Hz～218.125Hz范圍，墻腳以上3m測(cè)點(diǎn)4振動(dòng)頻率為190.75Hz～231.25Hz范圍，墻腳以上5m測(cè)點(diǎn)5振動(dòng)頻率為174.375Hz～178.375Hz，且在測(cè)點(diǎn)5位置高頻振動(dòng)衰減明顯;不同速度動(dòng)車組、單機(jī)和軌檢車通過(guò)隧道時(shí)引起的襯砌振動(dòng)加速度主頻在130Hz～230Hz之間，且

5、具有200Hz以下傳遞比較大的特性。
　　(3)簡(jiǎn)單介紹了動(dòng)力荷載求解方法在ABAQUS有限元軟件中的應(yīng)用，并運(yùn)用經(jīng)典的列車荷載公式進(jìn)行模型荷載輸入。在實(shí)測(cè)列車輪軌力及頻譜分析的基礎(chǔ)上，對(duì)公式計(jì)算中的軌道計(jì)算波長(zhǎng)與矢高值進(jìn)行了修正，以用于所測(cè)隧道線路軌道不平順情況，彌補(bǔ)列車荷載實(shí)測(cè)值的不足，減少采用經(jīng)典數(shù)學(xué)公式進(jìn)行模型計(jì)算帶來(lái)的誤差，使得模型荷載計(jì)算更貼近于實(shí)際。
　　(4)基于ABAQUS有限元軟件，建立二維有限元模型模擬

6、了隧道結(jié)構(gòu)在列車荷載作用下，襯砌結(jié)構(gòu)背后在含空洞與不含空洞狀態(tài)下的拱圈振動(dòng)加速度響應(yīng)，模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了模型各參數(shù)選取的適用性，并初步得到了襯砌拱圈在含空洞與不含空洞狀態(tài)下的振動(dòng)加速度響應(yīng)傳遞規(guī)律;給出了襯砌背后含相同尺寸空洞狀態(tài)下，不同列車時(shí)速對(duì)襯砌拱圈振動(dòng)加速度響應(yīng)的影響規(guī)律;給出了在同一時(shí)速列車荷載作用下，不同空洞尺寸對(duì)襯砌拱圈振動(dòng)加速度響應(yīng)的影響規(guī)律，得到了最不利空洞尺寸。
　　(5)建立了隧道三維有限