高速公路橋隧過渡段力學(xué)行為與動(dòng)力響應(yīng)研究.pdf

1、隨著高速公路的建設(shè)逐漸進(jìn)入山嶺重丘區(qū)，橋梁隧道工程也日益增多。橋隧過渡工程最顯著的特點(diǎn)是相互連接的橋梁與隧道之間存在著相互影響，橋梁、隧道和周邊巖體受到的擾動(dòng)更多，其力學(xué)行為更為復(fù)雜。但是，目前國內(nèi)外對橋隧過渡工程的研究十分有限，如何對施工過程中進(jìn)行優(yōu)化，以及如何分析車輛荷載對橋隧過渡段結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用都是值得關(guān)注的問題。針對以往研究中的不足，本文建立室內(nèi)相似模型，首次利用室內(nèi)試驗(yàn)研究了橋隧連接工程在重復(fù)行車荷載下圍巖及結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變特征

2、，及疲勞損傷。隨后利用數(shù)值模擬手段，研究了橋隧結(jié)構(gòu)在周期行車荷載下的動(dòng)力響應(yīng)。隨后根據(jù)橋隧連接處存在沉降差異的特點(diǎn)，推導(dǎo)了重載汽車通過沉降差異處的振動(dòng)方程，并建立相應(yīng)的隧道振動(dòng)響應(yīng)方程，以此求得隧道在車輛沖擊荷載下的動(dòng)力響應(yīng)。以室內(nèi)試驗(yàn)，數(shù)值模擬及理論分析等手段研究橋隧過渡結(jié)構(gòu)在行車荷載作用下力學(xué)行為與動(dòng)力響應(yīng)，在此基礎(chǔ)上分別針對隧道邊仰坡的參數(shù)反演，穩(wěn)定性分析以及隧道施工圍巖的力學(xué)行為進(jìn)行了研究，闡明了隧道圍巖在施工過程中的力學(xué)行為變

3、化，為橋隧過渡段的設(shè)計(jì)施工提供了理論依據(jù)。最后結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)，將本文研究成果與實(shí)際測試結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了本文的理論計(jì)算的正確性。本文獲得的具體研究成果有如下幾點(diǎn):
　　(1)在確定試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方案的基礎(chǔ)上，研究了不同工況下橋隧過渡段施工過程中，隧道圍巖壓力變化情況，洞口附近圍巖及邊仰坡土體的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，研究了不同工況下橋隧鄰接工程在后期運(yùn)營階段，汽車荷載及其沖擊作用下，橋、隧結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵部位及洞口土體的受力、變形、位移和沉

4、降情況，及工程中常見的病害機(jī)理。
　　(2)利用有限元軟件MIDAS-GTS，建立了橋隧過渡段的三維數(shù)值計(jì)算分析，并根據(jù)車輛動(dòng)荷載的大小與時(shí)變規(guī)律，施加動(dòng)力荷載。通過橋隧過渡段的圍巖襯砌應(yīng)力，位移的比對分析，研究車速與橋隧過渡段的不同形式對其穩(wěn)定性的影響:對兩種不同的基礎(chǔ)形式在動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力反應(yīng)進(jìn)行對比，分析提出合理的橋隧搭接過渡段結(jié)構(gòu)形式，為方案比選提供理論依據(jù)。
　　(3)在橋臺與隧道襯砌的連接處，兩者之間的沉降差異

5、使車輛通過橋隧過渡段時(shí)對路面產(chǎn)生沖擊作用。考慮車體自身的縱向轉(zhuǎn)動(dòng)與傾覆，車輛通過橋隧連接段的過程視為一定初始條件下的受迫振動(dòng)，根據(jù)D'Alembert原理，建立了三自由度與五自由度下，車輛與路面的動(dòng)力耦合計(jì)算模型并給出其振動(dòng)方程。并利用Laplace變換，對該系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，求得各車輪沖擊力隨時(shí)間的變化規(guī)律。為了研究上述沖擊荷載對隧道斷面的動(dòng)力效應(yīng)，將根據(jù)已有兩相飽和介質(zhì)Green函數(shù)，利用Lamb積分公式，結(jié)合隧道斷面特征，以

6、解析積分法推導(dǎo)了矩形和圓形斷面隧道在上述衰減動(dòng)力荷載下的振動(dòng)反應(yīng)，并研究了該荷載作用于隧道底部任意位置時(shí)的隧道振動(dòng)位移反應(yīng)表達(dá)式閉合解、反應(yīng)時(shí)程曲線、瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的振動(dòng)形態(tài)。
　　(4)為了獲取隧道的邊仰坡物理力學(xué)參數(shù)，采用位移反分析技術(shù)對其進(jìn)行研究。分別針對層狀以及均質(zhì)邊坡，分別提出了基于模糊數(shù)學(xué)以及測斜曲線分析的反分析技術(shù)，并給出其目標(biāo)函數(shù)。結(jié)合工程實(shí)例，計(jì)算了的目標(biāo)函數(shù)的敏感度，證明其有效性。根據(jù)參數(shù)反演的結(jié)果，利用FLAC3