落石冲击下拱形明洞结构概率可靠性研究

摘要

随着高速铁路向西部艰险山区的延伸，铁路隧道工程的修建难度和建设规模越来越大，但受地质条件和施工扰动等因素的影响，使得隧道洞口段成为最易遭受落石侵袭的地段，而拱形明洞结构由于受力合理，抗冲击性能强，且与暗洞过渡自然等优点，日渐成为落石多发区普遍采用的防护措施。本文以客运专线双线隧道拱形明洞为研究对象，通过文献调研，理论分析和三维颗粒流离散元(PFC3D)模拟的方法，对落石冲击下拱形明洞结构的概率可靠性进行了系统研究，主要研究成果如下:
　　1、通过对实际落石灾害和室内模型试验的调研分析，结合离散元颗粒流模拟结果，可以确定落石冲击下拱形明洞结构表现为局部的失效破坏。根据落石冲击下拱形明洞结构的力学响应特征和荷载分布形态，可将明洞失效部分简化为四边固支钢筋混凝土方形板，按刚塑性板静态失效荷载的计算方法，得出结构在落石冲击下的极限承载力表达式。
　　2、利用三维颗粒流离散元模拟方法，对不同落石高度、不同落石重量及不同回填土厚度条件下，落石冲击方形平板结构试验进行模拟，确定了平板不同尺寸范围内所受的落石冲击荷载，结合对应的工况组合条件，建立了关于落石冲击中心集中力和均布压力的回归分析表达式，以此来反映落石冲击荷载的变化规律。
　　3、根据已确定的结构极限承载力和落石冲击荷载联立得到极限状态方程，结合随机变量的分布类型和概率统计特征，采用适用于包含非正态随机变量可靠性分析的当量正态化法，通过编写MATLAB程序对结构可靠指标进行计算，求得落石冲击下拱形明洞结构的可靠指标最小值为2.85，对应的失效破坏概率为0.219％。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 落石冲击荷载研究现状

1．2．2 明洞结构可靠性研究现状

1．3 本文研究内容及技术路线

第2章 落石冲击下拱形明洞极限承载力的研究

2．1 落石冲击下拱形明洞结构的破坏形态

2．2 落石冲击拱形明洞模拟计算

2．2．1 离散元颗粒流PFC3D理论基础

2．2．2 落石冲击拱形明洞计算模型

2．2．3 模型参数校准

2．2．4 模拟结果分析

2．3 拱形明洞受落石冲击的模型简化

2．4 冲击作用下钢筋混凝土板极限承载力的确定

2．4．1 刚塑性板的静态极限载荷

2．4．2 钢筋混凝土板塑性极限弯矩

2．4．3 钢筋混凝土板的极限承载力

2．5 本章小结

第3章 落石冲击荷载的研究

3．1 现有落石冲击力的计算方法

3．1．1 隧道手册方法

3．1．2 路基方法

3．1．3 日本方法

3．1．4 瑞士方法

3．2 颗粒流模型的建立及工况组合

3．2．1 落石冲击模型的建立

3．2．2 模拟工况组合

3．2．3 模型参数校准

3．3 落石冲击荷载结果分析

3．3．1 落石冲击力分析

3．3．2 作用在结构物表面的冲击荷载分析

3．4 落石冲击荷载回归分析

3．4．1 多元线性回归分析的基本原理

3．4．2 多元线性回归分析

3．4．3 含交互项线性回归分析

3．5 本章小结

第4章 落石冲击下拱形明洞结构概率可靠性分析

4．1 结构概率可靠性分析的原理

4．1．1 结构可靠度

4．1．2 结构可靠指标

4．1．3 当量正态化法

4．2 极限状态方程的建立

4．3 结构可靠指标的计算

4．3．1 基本变量的分布类型及概率统计特征

4．3．2 当量正态化法求解结构可靠指标

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 问题及展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果