地铁杂散电流腐蚀及其对隧道结构可靠度与耐久性的影响

摘要

随着城市轨道交通运输系统的发展，以地铁与轻轨为代表的直流牵引、走行轨回流的供电方式导致的杂散电流腐蚀问题已引起普遍关注。杂散电流的存在将对钢轨以及埋地金属管线、区间隧道主体结构及其内部钢筋等产生严重腐蚀，不仅降低了金属结构物的强度，缩短了使用寿命；而且导致区间隧道主体结构混凝土开裂，降低了结构的强度和耐久性，增加了结构的失效概率，给轨道交通的安全运营带来严重威胁。 本文以北京地铁区间隧道主体结构受杂散电流腐蚀影响为工程背景，就地铁杂散电流分布、杂散电流腐蚀对主体结构耐久性影响、杂散电流腐蚀对主体结构可靠度影响以及地铁系统中杂散电流防护的必要性和措施方面做了相关的分析。首先简要介绍了地铁杂散电流的形成，分析了杂散电流分布的数学模型，通过理论分析和数值模拟获得地铁杂散电流的分布以及各因素的影响：其次概述了地铁杂散电流引起金属腐蚀的机理和金属结构物受杂散电流腐蚀的影响因素，通过杂散电流对混凝土中钢筋腐蚀及混凝土强度影响的模型试验确定了电化学当量和混凝土强度变化规律，阐述了区间隧道主体结构耐久性极限状态和结构耐久寿命预计模型，建立混凝土腐蚀开裂模型，通过理论分析完成区间隧道主体结构耐久性计算；再次介绍了杂散电流作用下地铁区间隧道可靠度分析的特点，阐述了区间隧道的作用效应和结构抗力及其随机变量的统计特征，通过随机有限元法实现了区间隧道衬砌作用效应的数值模拟并采用x。拟合检验法完成衬砌作用效应的分布拟合检验，通过理论分析建立混凝土极限强度腐蚀衰变模型和区间隧道衬砌结构极限状态方程，采用一次二阶矩验算点法利用计算机编程实现区间隧道主体结构可靠度分析与计算。最后简要介绍了地铁杂散电流腐蚀的危害，提出其防护的必要性，通过源控制法、排流法和新型法三个方面对地铁系统杂散电流防护进行分析。 通过上述研究，得出地铁区间隧道杂散电流分布的函数式及其分布图，各因素对杂散电流分布的影响；受杂散电流腐蚀下区间隧道衬砌结构的耐久年限：区间隧道衬砌结构的可靠指标和失效概率以及可靠指标B值随腐蚀时间的衰变曲线；隧道结构可靠度与耐久性受杂散电流腐蚀的影响；地铁系统杂散电流防护的具体措施。所得结论旨在为今后的地铁区间隧道设计和地铁运营中杂散电流防护提供借鉴与参考。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题概述及研究意义

1.2国内外研究现状

1.3选题依据、研究内容及方法

1.3.1选题依据

1.3.2研究内容及方法

第2章地铁杂散电流的分布及其数值分析

2.1地铁直流供电及杂散电流的形成

2.2地铁杂散电流的分布模型

2.3地铁杂散电流分布的数值分析

2.4本章小结

第3章杂散电流对区间隧道主体结构耐久性影响

3.1地铁杂散电流引起金属腐蚀的基本原理

3.2地铁金属结构物杂散电流腐蚀的影响因素

3.2.1钢筋混凝土结构

3.2.2土壤内部结构

3.2.3电解法则

3.3地铁杂散电流对混凝土中钢筋腐蚀的试验

3.3.1试验装置、试件参数及试验数据

3.3.2腐蚀试验结果分析(实验法确定K值)

3.4地铁杂散电流腐蚀钢筋对混凝土强度影响的试验

3.5地铁区间隧道主体结构耐久性计算

3.5.1耐久性极限状态定义

3.5.2结构耐久寿命预计模型

3.5.3腐蚀至混凝土保护层开裂所需时间

3.5.4区间隧道横断面内杂散电流密度分布模型

3.6区间隧道主体结构耐久性算例

3.7本章小结

第4章杂散电流对区间隧道主体结构可靠度影响

4.1杂散电流作用下地铁区间隧道可靠度分析特点

4.2区间隧道的作用及其随机变量的统计特征

4.2.1荷载及其统计特征

4.2.2材料性能及其统计特征

4.2.3结构构件几何尺寸及其统计特征

4.2.4计算模式不定性的统计特征

4.3隧道衬砌作用效应的蒙特卡罗—有限元方法

4.3.1随机有限元法基本原理

4.3.2蒙特卡罗—有限元法在衬砌作用效应分析中的原理及流程

4.3.3 ANSYS蒙特卡罗—有限元法在衬砌作用效应分析中的应用

4.3.4地铁区间隧道衬砌作用效应分析实例

4.4衬砌作用效应的分布拟合检验

4.4.1x2拟合检验法原理

4.4.2x2拟合检验在衬砌作用效应中的应用

4.5区间隧道结构抗力及其随机变量的统计特征

4.5.1混凝土极限抗拉强度及其统计特征

4.5.2混凝土极限抗压强度及其统计特征

4.5.3与结构抗力相关的其他参数取值及其统计特征

4.6区间隧道衬砌结构极限状态方程的建立

4.6.1隧道衬砌偏压构件截面压坏时极限承载能力计算式

4.6.2隧道衬砌偏压构件截面开裂时极限承载能力计算式

4.6.3衬砌结构极限状态方程

4.7区间隧道衬砌结构可靠度计算法

4.7.1一次二阶矩理论验算点法原理

4.7.2多个非正态分布基本变量时验算点法求解流程

4.7.3迭代法计算程序框图

4.8杂散电流腐蚀作用下隧道衬砌结构可靠度分析实例

4.8.1按抗压极限承载能力(承载能力极限状态)检算

4.8.2按抗裂极限承载能力(正常使用极限状态)检算

4.9本章小结

第5章地铁杂散电流防护的必要性及措施

5.1地铁杂散电流腐蚀的危害

5.2地铁杂散电流防护措施

5.2.1“堵”—源控制法

5.2.2“排”—排流法

5.2.3地铁防止杂散电流腐蚀的新方法

5.3本章小结

结论及建议

主要研究结论

发展趋势及建议

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文情况及参加科研项目

附录