列车荷载作用下立体交叉隧道结构动力响应分析

摘要

随着我国国民经济的高速增长、交通设施建设需求的增加和地下空间综合开发利用，不可避免的出现立体交叉隧道。本文以新梅花山和乌蒙山近距离立体交叉隧道为背景，根据围岩-隧道结构动力相互作用的基本哩论，利用ANSYS建立围岩-隧道结构-轨道有限元三维模型，研究立体交叉隧道在列车动荷载作用下的动力响应。首先针对列车荷载的特点，简化列车振动荷载，从引起车辆振动的几何不平顺条件入手，用—与不平顺管理标准相应的激振力来模拟列车竖向动荷载，然后确定初始应力场，并通过对围岩-隧道结构体系进行模态分析，得到体系的振型和频率，以确定合理的阻尼系数和时间积分步长。并采用粘-弹性人工边界以模拟地基的无限性，最后运用Newmark隐式时间积分法，通过弹塑性动力有限元法对列车动荷载与轨下结构组成的系统进行了动力响应分析。分别研究在上跨隧道列车荷载与下穿隧道单线列车荷载共同作用工况、下穿隧道双列列车荷载共同作用工况与上跨隧道列车荷载与下穿隧道双线列车荷载共同作用工况3种情况下，近距离立体交叉隧道的动力响应，确定在列车振动荷载作用下衬砌结构的薄弱部位及其相应的位移和应力。 本文根据模拟计算结果，研究了列车振动荷载作用下隧道结构动力响应的有关规律。本文主要从结构的位移、加速度响应以及弯矩、轴力等方面进行了分析，对计算数据进行了讨论和分析。研究了隧道结构位移、加速度的响应时程曲线以及结构内力随动力作用时间变化的空间分布以及响应时程曲线。结果表明：结构最大动力响应发生在轮对经过测点后的某个时刻，略滞后于经过时刻点，对隧道结构而言，围岩静荷载是结构设计的控制荷载，列车振动引起的附加内力增幅较小。本文研究成果对评价立体交叉隧道衬砌结构的动力稳定性和完善铁路隧道结构的设计理论具有一定的指导意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1选题意义

1.2国内外研究现状与发展趋势

1.2.1列车振动荷载的研究现状

1.2.2列车振动传播规律的研究

1.2.3土-结构动力相互作用的研究现状

1.2.4列车振动荷载对隧道结构的影响研究现状

1.3本文的主要工作

1.3.1研究目标

1.3.2研究内容

1.3.3拟解决的关键问题

第2章有限元法原理及结构动力有限元理论

2.1有限单元法

2.2动力有限单元法

2.2.1运动方程的建立

2.2.2质量矩阵

2.2.3阻尼矩阵

2.3地下结构动力响应运动方程的计算方法

2.4动力有限元模型

第3章列车振动荷载的确定

3.1引言

3.2列车振动荷载产生机理

3.2.1车轮因素产生列车振动荷载的机理

3.2.2轨道不平顺产生列车振动荷载的机理

3.2.3轨道随机不平顺的分类

3.3列车振动荷载的简化处理

3.4列车振动荷载的确定

3.5列车制动力的确定

第4章动力响应三维有限元模拟

4.1引言

4.2模型简介及其计算中的基本假定

4.3轨道动力有限元模型的建立

4.3.1计算模型单元类型的选取

4.3.2轨道计算参数的确定

4.4围岩-隧道三维有限元模型的建立

4.4.1计算模型及其单元的选取

4.4.2材料参数选取

4.5模态分析确定时间步长和阻尼系数

4.5.1结构模态分析概述

4.5.2时间步长的确定

4.5.3阻尼系数的确定

4.6边界条件的确定

4.7模拟计算结果及其分析

4.7.1围岩-隧道结构体系静力计算结果分析

4.7.2上跨隧道列车荷载与下穿隧道左线列车荷载作用分析

4.7.3下穿隧道双线列车荷载作用结果及分析

4.7.4上跨隧道列车荷载与下穿隧道双线列车荷载作用分析

4.7.5交叉隧道衬砌结构的安全系数分析

4.7.6交叉隧道衬砌结构配筋计算

结论与建议

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目