地铁列车荷载引起隧道基底长期沉降研究

地铁隧道在投入运营后,由于地铁列车荷载引起隧道基底的变形与稳定已成为亟待解决的问题.为研究运营期昆明地铁在列车荷载作用下隧道基底长期沉降变形,首先通过人工激振力函数法确定地铁列车荷载时程曲线.其次采用有限单元法,建立地铁隧道基底土体的动力响应的数值模型,揭示隧道基底土层的动力反应特性.最后采用Li和Selig提出修正指数模型预测昆明地铁在列车循环荷载作用下隧道基底的长期沉降变形.研究结果表明:地铁列车荷载产生动应力主要影响范围在隧道底部0~5m;昆明地铁三号线运营10年后的隧道基底的累计沉降值约为14.3mm,第一年的沉降值约占运营前10年累计沉降值的52%.     

轨道结构上轮对相互影响系数的解析求法

为了建立更合理的频域车轨耦合模型,提出一种求解移动荷载状态激振下轨道结构上轮对相互影响系数的解析方法。该解析方法视离散支撑轨道结构为周期性的结构,首先在与列车轮载同速的移动坐标系下对Dirac荷载作用下钢轨的振动控制方程进行系列积分变换,并将影响系数化简为含有钢轨垫片中频域力的表达式,而后以传递矩阵方法求得该频域力,进而最终求得轮对的相互影响系数。研究结果表明:该方法计算准确度高,计算速度快,能很好地应用于频域车轨耦合模型中;列车在高速时采用定点荷载状态激振会产生较大误差,此时宜使用移动荷载状态激振。     

2.5维有限元分析高铁荷载下弹塑性地基动偏应力与沉降

为分析高铁荷载引起的弹塑性地基动偏应力分布规律并据此开展沉降计算,建立了高铁荷载下弹塑性地基2.5维有限元计算模型,将高铁荷载分别简化为准静态列车荷载和考虑随机激振力的修正列车荷载,对比了2种荷载下弹塑性地基中动偏应力的分布规律,并利用循环荷载下软黏土累积塑性应变模型计算了均质弹塑性地基沉降。研究表明,弹塑性地基中动偏应力呈马鞍形分布,最大值出现在道床边缘附近土体中;车速小于土体瑞利波速时沿地基表面和轨道中心沿深度方向土体动偏应力的衰减曲线光滑,车速接近或大于土体瑞利波速时,在马赫效应的影响下动偏应力呈波动衰减;修正列车荷载下弹塑性地基中动偏应力分布更符合实际情况;高铁运营初期地基沉降较快,随时间增加沉降速率逐渐趋于稳定;计算高铁运行产生的地面沉降时,需同时考虑列车运行速度和随机激振力的影响。     

多个列车轮载作用下铁路道床结构安定性分析

为了更全面地了解铁路道床结构的安定行为,根据列车轮载作用下于Winkler连续均匀弹性地基上的钢轨竖向挠曲变形规律,采用基于Gauss函数的轨枕荷载分担比的近似计算方法,确定单个和多个轮载作用于不同位置处的轨枕荷载分担比。基于BOUSSINESQ和CERRUTI解答,推导竖向和水平均布荷载作用下半无限空间结构中的弹性应力场的解析表达,并结合Melan静力安定定理,提出多个列车轮载作用下铁路道床结构的安定性分析方法,通过与已有文献计算结果的对比,对推导的弹性应力场解析方法及静力安定分析方法的可行性和计算结果的准确性进行验证。基于铁路道床结构的安定性分析方法,研究多个列车轮载作用下道床材料参数对其安定荷载的影响规律。研究结果表明:对于和谐号CRH3型电力动车组高速列车,其轨枕荷载分担仅在1个转向架的2个轮轴荷载之间存在叠加影响,且在其影响范围内轨枕荷载分担比呈现"M"形分布;道床结构的静力安定荷载随内摩擦角增大而增大,尽管泊松比是影响结构弹性应力场的重要参数,但其对道床安定荷载的影响较小;在满足经济性的前提下,适当选用高强度的材料,能有效提高给定摩擦因数下道床结构的承载能力。     

地铁营运期盾构隧道管片块位移响应分析

采用FLAC3D三维动力计算软件,充分考虑接缝、管片分块和复杂地层等因素,对广州某埋置于软硬交错地层之中的盾构隧道在地铁营运列车振动荷载作用下各管片块位移响应问题进行深入分析.结果表明,地铁列车一组组轮对的滚过所产生的加卸荷和振动效应导致各管片块的位移响应出现起伏波动现象,环底附近的管片块位移响应最大,自环底向环顶逐渐减弱,管片整环发生轻微垂向椭变响应.管片块位移响应强度与其所处地层的性质紧密相关,在软土地层中管片环位移响应最大,其椭变最明显.     

列车动荷载影响下深基坑支护结构变形及隔离桩隔振效果研究

随着城市轨道交通迅速发展,深基坑工程在已运营地铁旁施工已较为常见。为研究列车动荷载作用下深基坑支护结构变形规律以及评价隔离桩的隔振效果,以武汉市华中科创产业园超大深基坑工程为背景,采用激振力函数模拟计算列车动荷载,通过FLAC3D有限差分软件模拟分析列车动荷载以及隔离桩对深基坑支护结构变形的影响,并将现场监测数据与数值结果对比分析,验证数值模拟方法的可靠性。研究结果表明：激振力函数模拟列车动荷载输入数值模型得到的基坑支护结构变形规律与现场实测基本一致;列车动荷载对基坑支护结构变形影响较小,列车动荷载作用下地表沉降和围护桩变形各增加了1.3mm、3.6mm;隔离桩对列车动荷载具有较好的隔振作用,使地表沉降和围护桩变形分别减小了28%、6.8%。研究成果具有一定的实际推广价值,能为类似工程提供参考。     

考虑地面动荷载的地铁运行隧道结构安全分析

为研究地铁开通运行后对地面建构筑物的影响及上部铁路动荷载情况下对地铁隧道结构的影响,采用理论计算和数值模拟相结合的方法,对南京地铁4#线下穿京沪高铁联络线和宁芜铁路路基段进行了探讨和分析,研究了地铁运行震动和铁路机车动荷载情况下地层的动应力分布及变化规律,进一步分析运行状态下两者的相互影响情况。结果表明:高铁震动引起的土体动应力较大,并对隧道结构产生不利影响,高铁列车通过隧道上方时隧道顶部加速度的变化幅值明显变大,说明隧道管片对高铁列车运行产生的动荷载较为敏感,相比之下对普通列车产生的动荷载的敏感性不强。为确保地铁运行后结构的安全,隧道在设计时采取了安设高强度螺栓,浮置板道床以及在管片上增设注浆孔等工程措施。     

大跨拱形结构等效静力风荷载

基于计算流体动力学(CFD)方法和有限元动力时程分析法,数值模拟脉动风特性,获取脉动风速时程,以此作为数值风洞模拟的入口边界条件.运用FLUENT软件对大跨拱形结构进行脉动风作用下结构的非稳态分析,得到作用于结构的时程风压荷载;运用ANSYS分析软件进行结构的风振响应计算,分析获得了基于结构风振响应时程的等效静力风荷载.提出多目标等效静力风荷载加权组合系数的定义,计算获得了大跨拱形结构的多目标等效静力风荷载,并验证了其计算精度.研究结果表明,在基于该方法所得等效静力风荷载作用下,结构静力响应计算结果与风振动力时程响应极值吻合.     

列车动荷载影响下深基坑变形及隔振效果分析

为研究列车动荷载作用下深基坑支护结构变形规律以及评价隔离桩的隔振效果,以武汉市华中科创产业园超大深基坑工程为背景,采用激振力函数模拟计算列车动荷载;然后通过FLAC3D有限差分软件模拟分析列车动荷载以及隔离桩对深基坑支护结构的变形影响.将现场监测数据与数值计算结果对比分析,验证数值模拟方法的可靠性.研究结果表明:激振力函数模拟列车动荷载输入数值模型得到的基坑支护结构变形规律与现场实测基本一致;列车动荷载对基坑支护结构变形影响较小,列车动荷载作用下地表沉降和围护桩变形各增加了1.3、 3.6 mm;隔离桩对列车动荷载具有较好的隔振作用,使地表沉降和围护桩变形分别减小了28%、 6.8%.研究成果具有一定的实际推广价值,能为类似工程提供参考.     

地铁引起环境振动的振源加速度

分析计算了列车运行引起环境振动的振源,即轨道作用于道床的振动加速度机制.建立了轮-轨-道床计算分析模型,将钢轨视为Winkler地基上无限长梁,建立并求解该梁的动力方程,得到列车移动静力产生的轨道振动加速度;根据Hertz接触理论,求得轮轨动接触力,利用Green函数模拟轨道因轨道不平顺和轮轨动接触力作用产生的变形,进而求得轨道不平顺和轮轨动接触力引起的轨道振动加速度;叠加上述两种加速度,即得列车引起环境振动的振源振动加速度;最后将理论计算结果和实测结果进行比较,吻合较好.     

高速列车运行引起的地表振动分析

把轨道作为弹性地基上的梁，得到轨枕与道床之间的动反力，采用薄层法求得分层土体的稳态响应，建立了运行车辆-轨道-环境振动模型，首次对秦沈高速铁路列车运行产生的沿线地基的振动响应进行了分析与对比．分析表明：移动轴重作用率对加速度频谱起控制作用，在其附近出现峰值；加速度随列车速度的提高缓慢增加，当列车速度接近地表的瑞利波速时，会引起振动放大现象；理论模型能很好地预测近场的振动响应．     

时速80 km/h地铁地下线梯形轨枕轨道现场测试分析

为评价时速80 km/h地铁作用下梯形轨枕的工作性能,对北京地铁某线梯形轨枕道床进行现场动位移和加速度测试,从时域、频域和Z振级角度对加速度指标进行分析,从时域角度对动位移数据进行分析,评价梯形轨枕轨道工作性能。结果表明:地铁列车作用下普通道床钢轨、道床和隧道壁振动有效值为14.1、0.48、0.069 m/s~2,梯形轨枕断面对应测点振动有效值为18.1、0.62、0.016 m/s~2,隧道壁处振动加速度在1～1 000 Hz内均有一定减振效果,最大Z振级差值为11.9 dB,梯形轨枕道床钢轨垂向、钢轨横向、梯轨垂向、梯轨横向最大动位移分别为0.34、0.13、1.21、0.081 mm。     

轨道不平顺短波分量对列车-简支梁桥耦合振动的影响

轨道不平顺作为车-桥耦合振动的主要激励源,直接影响桥梁及高速列车运行的安全性和舒适性.为研究轨道不平顺中短波分量对列车-简支梁桥耦合系统动力响应的影响规律,以高速铁路32m简支箱梁为例,采用德国高速低干扰轨道不平顺谱生成轨道不平顺样本,建立了列车-轨道-桥梁耦合系统空间动力学分析模型.对比分析了5种不同最短截止波长的轨道不平顺样本对耦合系统振动响应的影响规律.研究结果表明:轨道不平顺样本中1m左右的短波长分量会显著增加轮轨力、轮重减载率、脱轨系数和桥梁跨中加速度,但对桥梁跨中位移、轮轨偏移量和车辆振动加速度的影响较小;1~2m的短波长成分是引起轮重减载率超标的主要因素,减少轨道不平顺中1~2m的短波长分量可以有效提高列车行车安全性指标.     

复合交通荷载下叠合式公轨合建隧道动力响应

叠合式公轨合建隧道不同于其他公轨合建隧道,汽车-列车荷载作用下其动力响应也有所不同。为研究复合交通荷载下叠合式公轨合建隧道动力响应,用激振力法、元胞自动机、汽车动力模型模拟列车荷载、车流和汽车荷载,用有限元软件Plaxis3D分析了不同荷载及有无垫层工况下隧道的动力响应。结果表明：公路隧道、铁路隧道分别主要对汽车荷载、列车荷载产生加速度响应,铁路隧道的加速度响应要明显大于公路隧道,约为后者的20倍;隧道不同位置处,对两种交通荷载的应力响应情况不同,铁路隧道应力响应主要受列车荷载控制,但当公路隧道中有大型车辆通过时,会对铁路隧道应力响应产生较大影响,甚至起到主导作用;公路、铁路隧道之间设置垫层会增大公路隧道的动力响应,但同时会减小公路隧道下方土层的刚度差异进而减小其应力值,综合作用下,设置垫层后公路隧道的应力状态会有所改善。     

重复列车荷载作用下多年冻土路基长期变形分析

在青藏铁路北麓河段选取素填土路基断面开展列车通过实时振动测试,得到车载作用下路基路肩处的加速度时程曲线,并将该动力荷载转化为作用在路基表面的等效均布荷载.基于冻土三轴流变实验结果,对典型的青藏铁路多年冻土路基进行了重复列车荷载作用下的蠕变分析,得到了机车荷载作用下冻土路基所产生的长期变形量,量化了该部分变形在路基总变形中所占比例.研究结果表明,机车荷载作用下路基两侧坡脚产生较大的剪应变,并且逐渐向上扩展,垂直方向变形占总变形量的10%左右.     

列车振动荷载对邻近深基坑的既有站变形影响

通过模拟的轮轨激振荷载 ,分析新建的平行换乘车站深基坑开挖过程中 ,既有车站结构的动力响应 .分析认为 :在换乘站基坑开挖过程中 ,由列车动荷载引起的既有车站结构位移在允许值的 7%范围以内 ;车振荷载主要引起连续墙的竖向振动加速度 ,但基坑开挖后 ,竖向振动加速度变化不大 ,而水平振动加速度幅值有较大增长 .     

轨道交通隧道基底刚度对共建结构的振动影响分析

为了探明建筑物与轨道交通隧道共建时隧道基底刚度对系统振动的影响,建立列车-轨道-隧道-土层-建筑物系统耦合振动模型,列车-轨道动力学模型和隧道-土层-建筑物有限元模型通过扣件力进行参数传递,对隧道基底土层加固为不同刚度时隧道结构以及建筑物结构振动位移、速度、加速度响应进行了时程分析、频谱分析和振级分析等.结果表明:隧道基底刚度越大,其下沉位移越小,隧道结构振动速度突变越大且振动速度的周期性越不明显,但振动位移的振幅变化与隧道基底刚度没有严格的相关性;隧道基底刚度对隧道振动加速度影响的主要频率为1~5Hz的低频部分;隧道基底刚度对于建筑物结构振动有较大影响,主要集中于低频范围,影响幅度可达10dB.     

2.5维有限元分析高铁荷载诱发非饱和土地面振动

开发一种非饱和地基2.5维有限单元方法研究高速列车荷载引起的地面振动.对时间进行Fourier变换并沿轨道方向进行波数变换将三维空间问题降为二维平面问题,结合边界条件和Galerkin法推导控制方程2.5维有限元格式.轨道结构视为非饱和地基上的Euler梁,所得频域-波数域内解答通过快速Fourier逆变换得到三维时域-空间域内结果.分析了车速和路基液体饱和度对地面振动及超静孔隙水压力的影响.结果表明,路基从完全饱和转为近饱和状态轨道中心处地面振动位移幅值变化显著;非饱和路基地面振动位移随时间衰减更快.距轨道中心8 m远处,同一速度下饱和路基路面振动持时大于非饱和路基;车速提高非饱和土振动持续时间变短,而饱和土地面振动持时变长.近轨道处200 km·h~(-1)下地面振动位移幅值大于其他速度且均以相当速率快速衰减;地面振动加速度级在某些车速下的衰减会出现反弹增大现象,其位置与车速密切相关.轨道中心处超静孔隙水压力主要分布在地表下4.5 m内,最大幅值出现在1.5～2.0 m深,且随路基饱和度降低显著减小.     

土壤介质振动传递特性模型试验及实测研究

设计了一个土壤介质振动传递试验模型,测量得到了振动加速度响应随距离、激励力大小以及激励频率的变化规律。试验结果表明,响应随距离的增大而减小,随激励力的增大而增大,随激励频率的增大而增大。同时对北京地铁十三号线太阳园段进行振动测量,实际测量结果与模型实验测量结果对比分析表明,土壤介质振动传递试验模型可以很好的反应轨道交通振动的传递特性。