列车荷载作用下地铁隧道结构的动力响应研究

摘要

在地铁隧道的整个使用寿命期内，要受到长期反复的列车动荷载作用，可能导致隧道结构出现各种病害。因此，研究列车运行条件下地铁隧道结构的动态响应规律具有重要的工程意义和理论价值。本文采用基于解析的无限长车-轨耦合模型计算得到列车动荷载，并建立了隧道-土层三维动力有限元模型，系统地研究了圆形隧道、马蹄形隧道和矩形隧道在不同的列车速度、列车轴重以及轨道形式下的动力响应规律。本文主要研究内容如下:
　　(1)采用基于解析的无限长-车轨耦合模型求解了列车振动荷载，计算了不同列车速度、列车轴重以及轨道形式下的扣件反力，用于模拟隧道结构所受的列车动荷载。
　　(2)运用ANSYS软件建立隧道-土层动力有限元模型，计算了列车运行引起的隧道结构的振动响应，并利用现场实测结果对模型进行了校核。
　　(3)分析了影响隧道结构动力响应的因素，根据隧道结构的动力响应云图选取拾振点，然后计算了圆形隧道、马蹄形隧道、矩形隧道在不同的列车速度、轴重以及轨道形式下的动力响应。对比分析了不同列车速度、轴重以及普通整体道床轨道和减振轨道形式下地铁隧道结构的加速度、位移、大小主应力的变化规律，同时对比分析了不同断面形式的隧道结构的动力响应。
　　计算结果表明:地铁隧道结构的动力响应呈明显的周期性变化。隧道结构的底部动力响应幅度要明显高于边墙和顶部，加速度响应和位移响应在仰拱中心处最大，但主应力响应在边墙和仰拱交接处最大;隧道结构的动力响应随着列车速度增加有明显的增幅，列车速度改变对隧道结构加速度影响较大，而对主应力响应的影响较小;列车轴重的改变对隧道结构的主应力响应和位移响应的影响程度要明显大于加速度响应;改变轨道结构型式，对隧道结构的位移响应和应力响应的影响较小，但对加速度响应影响较大;矩形隧道的的基底和边墙交接处存在应力集中现象，其主应力响应明显大于圆形隧道和马蹄形隧道。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 选题背景

1．2 研究意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 车轨耦合系统研究现状

1．3．2 隧道结构振动响应研究现状

1．3．3 本文主要研究内容

1．3．4 本文研究路线

2 动力有限元模型基本理论

2．1 有限单元法

2．2 瞬态动力学的基本运动方程

2．2．1 质量矩阵

2．2．3 阻尼特性

2．2．3 运动方程计算方法

2．3 ANSYS瞬态动力分析

3 列车动荷载的确定

3．1 列车动荷载产生的机理

3．2 列车动荷载的模拟方法

3．3 列车荷载的确定

4 隧道-土层有限元模型建立及校核

4．1 动力有限元计算模型

4．1．1 材料参数

4．1．2 人工边界条件

4．1．3 模型尺寸大小影响

4．1．4 单元尺寸

4．1．5 列车移动荷载的施加

4．2 模型校核

4．2．1 地铁列车运行引起隧道振动测试

4．2．2 数值模拟与实测结果对比

4．3 本章小结

5 不同工况下隧道结构动力响应分析

5．1 计算工况

5．2 拾振点的选取

5．3 圆形隧道结构的动力响应

5．3．1 不同行车速度下衬砌结构的动力响应分析

5．3．2 不同列车轴重下衬砌结构的动力响应分析

5．3．3 不同轨道结构类型下隧道结构的动力响应

5．4 马蹄形隧道结构的动力响应

5．4．1 不同行车速度下衬砌结构的动力响应分析

5．4．2 不同列车轴重下衬砌结构的动力响应分析

5．4．3 不同轨道结构类型下隧道结构的动力响应

5．5 矩形隧道结构的动力响应

5．5．1 不同行车速度下衬砌结构的动力响应分析

5．5．2 不同列车轴重下衬砌结构的动力响应分析

5．5．3 不同轨道结构类型下隧道结构的动力响应

5．6 不同隧道断面型式下衬砌结构的动力响应对比分析

5．6．1 加速度响应特性

5．6．2 位移响应特性

5．6．3 动应力响应特性

5．7 本章小结

6．1 主要结论

6．2 展望

参考文献

作者简历

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