一种列车运行下预制管廊结构动力响应分析方法

摘要

本发明提供了一种列车运行下预制管廊结构动力响应分析方法，属于结构振动数值模拟领域，构建软土地基下的预制管廊耦合有限元模型，并在预制管廊耦合有限元模型中建立桥墩基础模型；定义预制管廊耦合有限元模型的边界条件；基于边界条件进行预制管廊的静力分析和模态分析；建立列车‑有砟轨道‑桥梁动态耦合有限元模型，根据该模型提取列车运行时的桥墩底部X向和Y向支座反力时程响应信号；在预制管廊的静力分析和模态分析基础上，将支座反力时程响应信号输入桥墩基础模型中，进行软土地基下预制管廊结构的动力响应分析，获得列车运行下预制管廊结构动力响应结果。本方法将静力分析与动力响应相结合，完成了列车实时运行下的动力响应分析。

说明书

技术领域

本发明属于结构振动数值模拟技术领域，具体涉及一种列车运行下预制管廊结构动力响应分析方法。

背景技术

地下管廊是拥有隧道模式的地下结构，整体刚度较大，抵抗灾害性能高。跨线管廊隧道的建设，避免了后期管线施工时的交通拥堵、环境污染、经济浪费等问题，有利于新型城市的规划管理与未来可持续发展。

在车辆荷载作用下，管廊要承受车辆所带来的振动荷载，同时也将荷载传递给基础及周边土体，软土地基引起地表沉降，影响管廊隧道的整体稳定性；软土地基下跨线预制管廊受列车运行振动影响更不容忽视。因此，研究跨线管廊隧道在列车荷载作用下的破坏模式具有重要意义。

车辆荷载的作用可造成软土地基上管廊明显的不均匀沉降现象，预制管廊在连接节点处容易产生接头破坏，造成结构裂缝，出现渗水漏水现象；列车振动对周围环境产生一定的负面影响，而复杂的地下空间模式又增加了研究任务本身的难度。现有研究大多通过数值模型对车辆荷载作用下的管廊结构进行静力分析，对列车振动引起的管廊结构动力响应研究甚少，且在精确模拟列车-地基-管廊-管线上尚存在弊端，导致难以准确、实时反映列车运行下管廊隧道的动力响应。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种列车运行下预制管廊结构动力响应分析方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种列车运行下预制管廊结构动力响应分析方法，包括以下步骤：

构建软土地基下的预制管廊耦合有限元模型，并在所述预制管廊耦合有限元模型中相应位置建立桥墩基础模型；

定义所述预制管廊耦合有限元模型的边界条件；

基于所述边界条件进行预制管廊的静力分析和模态分析；

建立列车-有砟轨道-桥梁动态耦合有限元模型，根据该模型提取列车运行时的桥墩底部X向和Y向支座反力时程响应信号；

在预制管廊的静力分析和模态分析基础上，将支座反力时程响应信号输入桥墩基础模型中，进行软土地基下预制管廊结构的动力响应分析，获得列车运行下预制管廊结构动力响应结果。

优选地，所述构建软土地基下的预制管廊耦合有限元模型，具体包括：

在预制管廊的管节间设置接触单元，并确定预制管廊的计算域和材料参数；

基于所述计算域和材料参数建立预制管廊结构有限元模型、软土地基有限元模型及管线有限元模型；

根据所述预制管廊结构有限元模型、软土地基有限元模型及管线有限元模型生成软土地基下的预制管廊耦合有限元模型。

优选地，所述建立预制管廊结构有限元模型、软土地基有限元模型及管线有限元模型，具体包括：

利用现有的支撑结构设计方法，通过ANSYS有限元分析软件建立预制管廊、软土地基及管线的三维结构；

根据三维结构，再结合参数化语言建立预制管廊结构有限元模型、软土地基有限元模型及管线有限元模型。

优选地，所述预制管廊结构有限元模型包括管廊、GIL支架、GIL管线、筏板-CFG桩复合基础。

优选地，在ANSYS有限元分析软件中定义所述计算域、材料参数及边界条件；

所述材料参数包括弹性模量、泊松比、密度；

所述边界条件为：对整体模型底部施加Y向全约束，横向施加X向约束，纵向施加Z向约束；

所述计算域指的是计算模型的地基深度，当无相邻荷载影响，地基基础宽度在1-30m时，基础中点的模型的地基深度按公式(1)进行计算：

z

式中：b为地基基础宽度，m。

优选地，所述预制管廊结构有限元模型中，软土地层、管廊和筏板-CFG桩复合基础均采用Solid 186单元进行模拟；采用Beam 188梁单元模拟GIL支架及GIL管线；各管节间接缝采用接触单元，模型网格全部划分为六面体单元。

优选地，所述基于所述边界条件进行预制管廊的静力分析和模态分析，得到预制管廊结构前30阶模态频率。

优选地，所述桥墩基础模型为两个，所述将支座反力时程响应信号输入桥墩基础模型中，进行软土地基下预制管廊结构的动力响应分析具体为：将反力时程信号同时施加于两个桥墩基础模型的基础顶，进行管廊整体结构的动力响应分析。

本发明提供的列车运行下预制管廊结构动力响应分析方法具有以下有益效果：

本发明首先构建了软土地基下的预制管廊耦合有限元模型以及列车-有砟轨道-桥梁动态耦合有限元模型；通过的预制管廊耦合有限元模型进行了预制管廊的静力分析和模态分析，同时通过列车-有砟轨道-桥梁动态耦合有限元模型提取了列车运行时的桥墩底部X向和Y向支座反力时程响应信号，属于动力信号，最后通过支座反力时程响应信号进行了软土地基下预制管廊结构的动力响应分析，完成了列车实时运行下的动力响应分析，获取预制管廊结构的内力变形特点。该方法可以更精准、实时反映列车运行下管廊隧道的静力及动力响应，从而更好地探究地下管廊及输电线路的破坏机制，并据此制定相应措施改善线路的抗振性能，保障管廊结构的安全运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的列车运行下预制管廊结构动力响应分析方法的流程图；

图2为本发明实施例1提供的列车运行下预制管廊结构动力响应分析方法的流程图；

图3为本发明实施例1提供的分析方法计算地基基础宽度取值的示意图；

图4为本发明实施例1的管廊整体模型简图(未包含GIL管)；

图5为本发明实施例1的管廊侧立面简图；

图6为本发明实施例1的预制管廊结构有限元模型；

图7为本发明实施例1的整体模型边界条件；

图8为本发明实施例1的GIL管线边界条件；

图9为本发明实施例1的列车-有砟轨道-桥梁动态耦合有限元模型；

图10为本发明实施例1的考虑列车运行的列车-有砟轨道-桥梁动态耦合有限元模型；

图11为本发明实施例1的列车-有砟轨道-桥梁动态耦合有限元模型的整体模型变形图；

图12为本发明实施例1的考虑列车运行的管廊接缝变形图；

图13为本发明实施例1的考虑列车运行的管廊结构应力及位移图；

图14为本发明实施例1的现浇管节跨中与伸缩缝处点水平位移-时间曲线；

图15为本发明实施例1的跨中与伸缩缝处各角点竖向位移-时间曲线。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。

本发明提供了一种列车运行下预制管廊结构动力响应分析方法，具体如图1所示，包括以下步骤：

S1、在预制管廊的管节间设置接触单元，并确定预制管廊的计算域和材料参数。

S2、基于计算域和材料参数建立预制管廊结构有限元模型、软土地基有限元模型及管线有限元模型。

S3、根据预制管廊结构有限元模型、软土地基有限元模型及管线有限元模型生成软土地基下的预制管廊耦合有限元模型，并在预制管廊耦合有限元模型中相应位置建立桥墩基础模型。

S4、定义软土地基下的预制管廊耦合有限元模型的边界条件。

S5、基于边界条件进行预制管廊的静力分析和模态分析。

S6、建立列车-有砟轨道-桥梁动态耦合有限元模型，根据该模型提取列车运行时的桥墩底部X向和Y向支座反力时程响应信号。

S7、在预制管廊的静力分析和模态分析基础上，将支座反力时程响应信号输入桥墩基础模型中，进行软土地基下预制管廊结构的动力响应分析，获得列车运行下预制管廊结构动力响应结果，据此进行跨线铁路管廊结构在列车荷载下的振动损伤分析。

具体地，材料参数包括弹性模量、泊松比、密度；边界条件为：对整体模型底部施加Y向全约束，横向施加X向约束，纵向施加Z向约束。

本发明中的计算域指的是计算模型的地基深度，当无相邻荷载影响，地基基础宽度在1-30m时，基础中点的模型的地基深度按公式(1)进行计算：

z

式中：b为地基基础宽度，m。

确定计算宽度(计算域横截面影响范围)的取值，对于有限元模型依据工程中典型段进行简化处理。

本发明通过有限元软件ANSYS和APDL参数化语言，建立管廊、GIL结构、GIL支架、筏板-褥垫层-CFG桩复合基础的预制管廊结构有限元模型。

具体地，通过软土地基下的预制管廊耦合有限元模型进行预制管廊静力分析和模态分析，得到预制管廊结构前30阶模态频率。

S7中在管廊结构整体有限元模型中相应位置建立桥墩基础模型，将反力时程信号同时施加于两个桥墩基础顶，进行管廊整体结构的动力响应分析。

实施例1

本实施例采用本发明提供的方法来验证列车荷载作用下管廊结构的振动特性。

以某实际跨线管廊隧道工程为例，建立淤泥质地层和粉砂土层环境下GIL管廊隧道结构精细化有限元模型，在列车-有砟轨道-桥梁动态耦合有限元模型中提取列车运行时的桥墩底部X向及Y向支座反力时程响应信号，建立带桥墩基础的管廊结构整体有限元模型，并将反力时程信号同时施加于两个桥墩基础顶，进行管廊整体结构的动力响应分析。如图2所示，具体包括以下步骤：

步骤一，确定预制管廊结构有限元模型的计算域与参数取值。

(1)地基深度计算。根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)中2.3.8条规定：当无相邻荷载影响，基础宽度在1-30m时，基础中点的地基变形计算深度可按简化公式进行计算。

z

式中：b为地基基础宽度(m)，本发明z

(2)计算宽度(计算域横截面影响范围)取值。有限元模型计算宽度即计算域横截面影响范围，取值一般采用计算方法如图3所示。式中：B为地基基础宽度(m)；f粘性土层高度(m)，本发明取钻孔灌注桩两侧各30m宽度。

(3)模型简化，即对实际工程的简化。简化模型沿管廊长度方向长40.22m，为便于计算与对比分析，所有模型管道长度方向均为40.22m。按照材料力学惯性矩相等原则，将钻孔灌注桩等效代换为宽0.790m，高22.95m的矩形钢筋混凝土板。结合电力隧道基础基坑维护断面图，钻孔灌注桩与管廊顶板、底板之间通过素混凝土带连接；偏于安全考虑，在模型中未考虑钻孔灌注桩两侧直径为850mm的水泥土搅拌桩止水帷幕；管廊底部混凝土垫层与满堂加固基础总高15.2m，基础底位于强风化岩顶面；强风化岩厚度取9.8m。钻孔灌注桩两侧土宽度各取30m，桩外侧不同土层分别依据基坑维护断面图厚度按不同材料属性进行分层设置。管廊简化模型包含18节预制管段和1段现浇管段，现浇管节含伸缩缝长4.11m，预制管节长2.00m，伸缩缝及预制管节间拼接接缝缝宽0.03m；现浇管节与两节预制管节分别位于整个模型跨中两侧，属于最不利布置。GIL管共设6个支座，管线跨度包含工程中常用跨度及最大跨度。在保证管道长度方向不受计算域影响的情况下进行受力性能分析，管廊整体模型简图及管廊侧立面简图如图4、图5所示。

步骤二，预制管廊结构有限元模型构建。在查阅文献、资料和工程施工图等所得数据基础上，通过有限元软件ANSYS和APDL参数化语言，建立管廊、GIL结构、GIL支架、筏板-褥垫层-CFG桩复合基础的数值模型。淤泥质地层、管廊和筏板-褥垫层-CFG桩复合基础均采用Solid 186单元(高阶3维20节点固体结构单元，支持塑性、超弹性、蠕变、应力强化、大变形和大应变能力)进行模拟；采用Beam 188梁单元模拟GIL支架及GIL管线；各管节间接缝采用接触单元。为便于建模与受力分析，模型网格全部划分为六面体单元，在满足、符合工程实际的基础上，考虑计算精度和计算量，调节模型使计算结果收敛。预制管廊结构整体有限元模型如图6所示，其中(a)为整体实体模型，(b)为整体实体模型网格划分，(c)为单个管廊模型，(d)为单个管廊网格划分，(e)为管廊整体模型，(f)为管廊整体网格划分，(g)为管廊间接触单元，(h)为管廊及GIL管网格划分，(i)为GIL管及支架网格划分，(j)为GIL管支架网格划分。

步骤三，确定预制管廊结构有限元模型具体材料参数。管廊选用C40，C40凝结硬化较快，早期强度较高，水化热较大，抗冻性较好。GIL管具有传输容量大、损耗小、安全性高以及环境友好等特点。GIL在外形和应用环境上更类似于输油、输气管道，然而GIL由内导体、支撑绝缘子、外壳组成的同轴圆柱结构，使其振动响应具有特殊性，具体材料参数见表1。

表1有限元模型材料参数表

步骤四，确定预制管廊结构有限元模型的边界条件。对整体模型底部施加Y向全约束，横向施加X向约束，纵向施加Z向约束。以满载为例，整体模型约束如图7所示。GIL管悬挑支架与管廊壁相连节点施加全约束作为固定支座；在现浇管廊段，GIL管线支座允许竖向(Y向)位移，其余预制管节处GIL管线支座除有竖向变形外，允许单向滑移，即GIL管可沿纵向(Z向)变形，GIL管约束如图8所示。

步骤五，列车-有砟轨道-桥梁动态耦合有限元模型信号提取。建立列车-有砟轨道-桥梁动态耦合有限元模型(如图9所示)，提取列车运行时的桥墩底部X向及Y向支座反力时程响应信号。

步骤六，静力与模态分析。基于所述边界条件进行预制管廊的静力分析和模态分析。

步骤七，动力响应分析。在管廊结构整体有限元模型中相应位置建立桥墩基础模型(如图10所示)，其中(a)为有限元网格划分图，(b)为有限元网格划分图(局部)，桥墩基础底部落至强风化岩层顶部。将反力时程信号同时施加于两个桥墩基础顶，进行管廊整体结构的动力响应分析，如图11-图15所示。

其中，图11为整体模型变形图，(a)为整体结构X向位移图，(b)为整体结构Y向位移图。由图可知，周边土体以Y向变形为主，左右受边界条件影响出现上拱趋势，最大值3.34mm，桥墩基础部位出现沉降，最大值3.43mm；X向出现轻微变形，集中在桥墩位置。

图12为考虑列车运行的管廊接缝变形图中，(a)为管廊接缝X向位移图，(b)为管廊接缝Y向位移图。由图可知接缝处的水平及竖向变形趋势与各相应管节基本保持一致。对应管节两侧壁顶部分别有较大正负两方向的水平位移，管廊呈现轻微的扭曲；管廊底板特别是悬挑底板出现沉降，现浇管节位置及边界管节位置中间廊壁有上拱趋势。

图13为考虑列车运行的管廊结构应力及位移图，图13中(a)为管廊结构主应力图(一)，(b)为管廊结构主应力图(二)，(c)为管廊结构X向应力图，(d)为管廊结构Y向应力图，(e)为管廊结构X向位移图，(f)为管廊结构Y向位移图。由图可知，顶板及外侧廊壁转角部位、外廊壁与底板转角部位、GIL管支架与管廊连接部位出现拉应力，其中以现浇管节与两端管廊底板角部应力集中最为显著，中间廊壁、外侧壁与底板以受压为主，最大拉、压应力均未超过C40混凝土抗拉、抗压强度标准值。管廊在X与Y方向均发生轻微变形，水平X方向位移集中于管廊顶板角部，其中以端部预制管廊角部变化最为显著，两侧最大相对变形量0.009mm。Y方向主要以沉降变形为主，最大沉降位于悬挑底板处，现浇管节顶板中部、中间廊壁及相应底板中部出现轻微上拱趋势，管廊结构上下错动约0.012mm。结构在X与Y方向变形均在设计允许范围内。

图14为现浇管节跨中与伸缩缝处点水平位移-时间曲线，其中，(a)为现浇管节跨中A与伸缩缝处A’点水平位移-时间曲线，(b)为现浇管节跨中B与伸缩缝处B’点水平位移-时间曲线，(c)为现浇管节跨中C与伸缩缝处C’点水平位移-时间曲线，(d)为现浇管节跨中D与伸缩缝处D’点水平位移-时间曲线。

图15为跨中与伸缩缝处各角点竖向位移-时间曲线，其中，(a)为现浇管节跨中A与伸缩缝处A’点竖向位移-时间曲线，(b)为现浇管节跨中B与伸缩缝处B’点竖向位移-时间曲线，(c)为现浇管节跨中C与伸缩缝处C’点竖向位移-时间曲线，(d)为现浇管节跨中D与伸缩缝处D’点竖向位移-时间曲线。通过对图14与图15所示的管廊角部各节点在列车运行下的X向、Y向位移时程曲线过比较发现，现浇管节跨中和伸缩缝处各节点水平位移变化基本一致，外侧壁顶点与底部节点略有差别，以伸缩缝水平位移变化显著；伸缩缝处四个角点的竖向位移明显大于现浇管节跨中。可以得出，列车运行对伸缩缝处变形影响较大，其水平及竖向位移均大于现浇管节。

本实施例建立了软土地基、预制管廊、管线精细有限元模型，分析了预制管廊在列车实时运行下静力与动力响应，通过管廊之间接触设置，剖析了管节之间动力响应的差异。

以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。