高速铁路隧道衬砌结构损伤累积与裂纹演化机理

高速铁路隧道混凝土衬砌结构含有初始孔隙或微裂纹等初始损伤。高速列车通过隧道所产生的气动疲劳载荷作用,使这种初始损伤会逐步扩展。选用混凝土的弹性模量衰减规律来反映气动疲劳载荷对隧道衬砌细观混凝土的作用效应,以弹性模量衰减的第二阶段为主要研究阶段,模拟了在循环气动载荷作用下,高速铁路隧道衬砌混凝土细观损伤机理及疲劳损伤裂纹的发展变化规律。研究表明:高速铁路隧道服役的中后期,气动疲劳载荷对隧道耐久性的危害作用更大。     

横风下高速列车在隧道洞口交会非定常气动效应

针对横风下高速列车在洞口交会时的非定常气动问题,考虑流场的三维、可压缩、湍流特性,建立隧道-列车三维空气动力学模型,利用滑移网格技术模拟列车交会过程,采用SSTκ-ω湍流模型对列车交会全过程进行求解,研究横风对隧道内瞬变压力、列车风及流场分布特性的影响规律.研究结果表明：横风下列车交会时,洞口处气动压力系数变化幅值显著增大,交会完成时,列车之间压力系数峰-峰值较无横风情形增大30.6%;列车交会开始和完成时气动压力均发生突变,隧道中部附近气动压力峰值最大;横风下列车交会气动压力大小与空间位置有关,交会时列车间气动压力变化幅值分别是列车迎、背风侧压力变化幅值的2.2和1.5倍;横风对洞口附近列车风影响显著,横风时迎风侧列车风峰值最大,无横风时背风侧列车风峰值最大,且前者是后者的2.04倍;隧道内气动效应受横风影响范围有限,当横风为30 m/s、车速为350 km/h时,隧道内气动效应受影响范围为120 m;横风下交会开始与完成时,流场分布急剧变化,导致气动压力与列车风发生突变.     

风向角对高速列车驶出隧道过程中气动效应的影响

为研究风向角对驶出隧道过程中高速列车气动效应的影响,以某型高速动车组列车为研究对象,采用数值模拟方法对隧道内气动压力、列车风风速、流场分布及列车气动荷载进行分析。通过与动模型试验结果进出对比,验证数值模拟方法的准确性。研究结果表明：隧道壁面气动压力峰值及变化幅值最大值出现在隧道内部,且出现位置到隧道出口距离与风向角有关;背风侧气动压力受风向角影响更大,气动压力变化幅值随风向角增大呈现先减小后增大再减小的趋势;出口处列车风风速随风向角增大基本呈现先增大后减小的趋势,30°风向角时列车风风速最大,但迎、背风侧列车风风速峰值出现时刻不同;随着风向角增大,流场分布不对称性增强,列车绕流特性由流线型绕流逐渐过渡到钝体绕流,流动分离点到头车鼻尖的距离呈现先增大后减小最后再增大的变化规律,隧道内流动结构愈加复杂;气动横向力、升力变化幅值随风向角增加呈现先增后减趋势,头车横向力系数最大变化幅值分别是中车、尾车的2.4倍和2.6倍,升力系数最大变化幅值分别是中车、尾车的1.1倍和1.5倍,故保证头车安全是控制整车运行安全的关键;侧风下高速列车驶出隧道情形下的最不利风向角为30°,此时头车发生列车事故风险...     

横风下高速列车突入隧道时气动荷载冲击效应

对高速列车由横风环境驶入隧道过程中流场的非定常、可压缩以及湍流等特性,建立了隧道-列车-空气三维CFD数值模型,分析了列车驶入隧道时各节车厢的气动荷载瞬态变化特征及对应的车厢运行姿态变化,并从流场角度揭示了其变化机理,最后探讨了气动荷载对车厢的冲击效应.主要结论如下:(1)当列车由横风环境驶入隧道时,各节车厢的5项气动荷载均表现出显著的突变特征,相应地各节车厢均会呈现瞬间偏转以及瞬间"点头"等行为;(2)车厢两侧压差在纵向上的巨大差异是导致车厢横向力和倾覆力矩的突然卸载以及偏航力矩骤增的根本原因;(3)横风是导致气动荷载对车厢冲击强度显著升高的主要因素;(4)头车的安全系数是控制整列车运行安全性的关键.     

横风下高速列车驶入隧道时瞬态气动性能研究

针对列车高速驶入隧道时流场的三维、非定常及可压缩湍流等特性,建立了精细化的隧道-列车-空气三维CFD数值模型,对比分析洞口有无横风条件下列车驶入隧道过程中车体周边的瞬态流场结构、压力分布,并研究横风条件下车体的5项气动荷载(气动横向力、气动升力、倾覆力矩、偏航力矩和点头力矩)指标的瞬变特性以及风速和车速变化对其最大瞬变幅值的影响情况.研究结果表明:当列车在横风环境下驶入隧道,洞外部分车体两侧流场结构和压力分布差异显著,而洞内部分差异较小,从而引发列车进洞前后车体压差突变;列车在进洞过程中,车体的各项气动荷载均存在瞬变效应,且尾车同时呈现出倾覆、"上跳"、"蛇形"摆动以及"点头"等行为;风速变化对尾车偏航力矩变化幅值影响较显著,而车速变化对头车偏航力矩变化幅值影响较显著.     

列车运行引起的高寒地区隧道内活塞风效应研究

对于高寒区隧道,列车运行产生活塞风会影响隧道内空气与衬砌围岩之间的对流换热,进而影响隧道结构的安全性和使用寿命.结合高寒地区隧道工程实例,运用动网格技术真实地模拟了列车进入隧道、在隧道中持续运行和驶出隧道的全过程,对列车以现行速度运行、快速运行、高速运行时在隧道内引起空气动力学效应进行了研究,分析了活塞风风速的变化规律,得到了列车头部进入隧道和列车尾部离开隧道的时间段内隧道内活塞风风速和列车速度之间的关系.结果表明,无论是列车头部刚驶入隧道时刻还是列车尾部离开隧道的时刻,隧道内的活塞风风速总是随着列车运行速度的增大而增大,为高寒地区高速铁路修建提供参考.     

铁路隧道列车相会时活塞风理论计算

由于占据了部分隧道空间,列车在运行时会产生活塞作用效应,列车周围的流场和压力场均发生变化,造成了隧道与外部空间的空气交换.为了找出列车相会时活塞效应的关键因素,根据粘性流体力学的非稳定流理论,分析了列车在隧道内的运行情况,采用相对坐标法建立了列车相会时的活塞风数学模型,提出了在自然风速影响下列车相会以及减速相会时的活塞风速计算方法.结果表明,列车活塞效应的影响因素主要有隧道净空尺寸、自然风速和阻塞比等.     

横风桥隧区域列车突出隧道时的瞬态气动特性

基于横风作用下高速列车流场的非定常特性，建立了横风-列车-桥隧模型进行仿真计算，并通过1∶8列车动模型试验验证数值方法的准确性。随后研究横风条件下列车突出隧道时，隧道内外瞬态气动压力、气动荷载变化及流场特性，揭示了横风-列车-隧道之间的相互作用机理。研究结果表明：随着横风风速的增大，压力逐渐减小，但压力随时间的变化规律相似；横风对隧道出口处及隧道外监测点处的压力梯度有明显的影响，对于隧道内的监测点几乎没有影响；随着横风风速增大，隧道外背风侧正压峰值随风速增大略有减小，迎风侧正压峰值基本保持不变，背风侧负压峰值减小速率大于迎风侧；横风对列车突出隧道运行过程的压力波动影响有限，在横风风速为20 m/s时，隧道外界流场影响隧道内气动压力的范围不超过20 m。同种横风条件下，迎风侧、背风侧监测点处压力时程变化规律不相同，压力梯度峰值出现的位置也不同，且位于列车同侧越靠近地面的监测点处压力峰值及压力梯度峰值绝对值越大；横风下，气流经过车-桥系统时，在桥底部、列车背风侧顶部及底部发生明显的流动分离现象，导致隧道外车体两侧的压差大于隧道内车体两侧压差。     

水压与动载耦合作用下高铁隧底结构裂损机理分析

高速铁路隧道底部结构隆起变形开裂是多方面影响因素叠加作用的结果。综合利用扩展有限元方法、流固耦合理论和现场实测结果,采用激振力荷载拟合函数施加于轨面模拟列车振动荷载作用效果,分析在水压和列车动荷载耦合作用下的高铁隧道底部结构不协调变形机理,揭示水压与动荷载作用下隧道底部结构的变形特征与水压力变化规律。研究结果表明：在既有隧底结构型式与排水条件下,水压变化是隧道底部结构变形与开裂的诱发原因,列车动荷载导致的裂缝水压交替变化是隧道底部结构持续性隆起裂损的间接原因。隧道底部结构开裂一般首先发生在仰拱填充层中央排水沟处,然后在轨道板、仰拱填充层与衬砌仰拱结构存在刚度差异的各交界面上出现裂缝。高速列车动荷载周期性的上下振动与水压力耦合作用下隧道底部结构界面和各裂缝过水处产生超静水压力,其周期性抽吸变化将对裂缝产生水力压裂效应,加剧隧道底部结构的裂损。高水压高铁隧道底部结构隆起开裂的整治措施应综合考虑泄水降压、裂缝封堵以及底部多层结构体系的层间锚固。     

高速列车行驶速度对隧道壁面气动压力影响的数值模拟

壁面气动压力长期循环作用是高速铁路隧道衬砌掉块的重要诱因，为研究高速列车行驶速度对壁面气动压力基本特征的影响规律，采用三维数值仿真模拟对隧道典型位置(入口段、洞身段以及出口段)壁面气动压力进行研究。结果表明:列车车头经过使得监测横断面气动压力差异性增强，表现出显著的三维特征。隧道入口段气动压力三维特征主要受压缩空气所占体积大小以及与隧道入口之间距离的影响，气动压力三维特征随着进入隧道入口距离的增加而减弱，并逐渐向一维特征转变。列车车头驶入隧道入口后，车尾驶出隧道出口前，洞身段不同测点位置的气动压力正峰值主要受车头进入隧道入口诱发压缩波的影响，纵轴中断面测点气动压力负峰值与峰峰值大于洞口段。车尾驶出隧道出口后，出口段测点气动压力负峰值大于入口段，正峰值小于入口段。隧道出口段气动压力三维特征与入口段相似，但列车行驶速度以及测点与隧道出口之间距离对气动压力三维特征的影响机制更为复杂。     

面向高速列车过隧道气动效应的自调节数值模拟方法

为研究高速列车过隧道时的气动效应问题，本文建立了基于结构网格和Cartesian网格的融合网格生成策略，提出了基于全叉树数据结构的融合网格生成方法，开发了一种具有移动边界条件的自调节Euler方程数值求解器.采用流动方向上单位压力变化的反馈绝对值作为网格自调节的控制参数，实现了动边界条件下流场网格的自动加密与稀疏.基于上述求解器对高速列车通过隧道场景进行了数值分析，获得了隧道壁面关键部位测点的压力变化数据，还进行了相同条件下的高速列车动模型试验.试验对比结果表明，求解器计算与模拟试验结果基本吻合.本文发展的网格生成策略以及动边界条件下的Euler求解器具有较高的数值精度，是面向高速列车动边界问题数值求解的一个较好选择.     

高速列车通过隧道-桥梁-隧道时车体的气动效应

以我国高速铁路沿线上某座隧道-桥梁-隧道基础设施为工程背景,基于计算流体力学和多孔介质理论建立了列车-隧道-桥梁-风屏障-空气三维CFD数值仿真模型,研究了列车运行于隧-桥-隧全过程的气动荷载变化特性.针对横风环境中列车运行于桥隧相连段的过程,从流场角度进一步揭示了风屏障的存在与否对气动荷载突变效应的影响.结果表明:1)无风屏障条件下,各节车厢在"由桥至隧"过程的气动荷载波动幅度是"由隧至桥"过程中相应值的1.03～1.89倍,而风屏障的存在将使两过程中气动荷载波动幅度基本相等;2)列车气动横向力的变化对风屏障的影响最为敏感,而气动升力和俯仰力矩的敏感性相对较弱.     

140km/h高速地铁隧道净空断面面积研究

为了优化速度为140 km/h高速地铁隧道的净空断面面积,采用三维、可压、非定常N-S方程的数值计算方法和κ-ε湍流模型,分析地铁列车由明线驶入不同截面积隧道时所产生的气动效应。研究结果表明:地铁列车由明线驶入隧道时产生的气动效应比在隧道内区间运行时产生的气动效应更加剧烈;当隧道净空断面面积采用现有速度为120 km/h的地铁常用截面积26 m~2时,所需地铁列车密封指数为6 s;当地铁列车密封指数取4 s和3 s时,所需地铁隧道净空断面面积分别为30.5 m~2和35.7 m~2。     

高速列车进出隧道口受电弓气动载荷研究

基于三维非定常可压缩N-S方程和RNG k-ε两方程湍流模型,对顺弓、逆弓运行状态,隧道有效净空面积,隧道长度等因素影响下,高速列车进出隧道口受电弓气动载荷进行数值模拟研究。研究结果表明:数值计算得到的车体表面测点压力曲线变化规律与动模型试验结果完全一致,幅值相差在3%以内;列车进出隧道口时,受电弓弓头受交变载荷的作用,气动抬升力曲线将分别出现正负向脉冲波形;受电弓顺弓、逆弓运行时弓头气动抬升力差异明显,顺弓运行时正向峰值相对较大,而负向峰值明显更小;隧道有效净空面积减小时,弓头气动抬升力波动幅度明显增大;隧道长度的变化对列车进入隧道时弓头气动抬升力基本无影响,但对列车驶出隧道时气动抬升力变化特征影响显著。     

联通式内缓冲结构对隧道气动效应减缓效果

为解决地形受限而无法在隧道入口处设置缓冲结构的隧道气动效应问题,提出了一种新型的联通式内缓冲结构,基于三维、可压缩、非定常Navier-Stokes方程,采用k-ε两方程湍流模型,通过滑移网格技术,对列车高速驶入隧道所引起的压力波动进行了计算.通过将不同缓冲结构形式对隧道气动效应的减缓效果进行对比,选定出了此缓冲结构的...     

着火列车在隧道内行驶的烟气温度特性研究

地铁隧道火灾中,以列车着火的可能性较大,着火后的应急处置办法是尽量带火运行到前方车站.依据1/8缩尺模型实验结果,利用计算流体力学STAR-CD软件的动网格功能,通过求解N-S方程,对列车着火后继续向前行驶的过程中的流场特性进行了研究,分析了不同列车行驶速度和火源热释放速率对隧道内温度分布的影响,得到列车携带火源在隧道内行驶时烟气温度的分布规律和列车行驶速度对烟气温度场特性的影响.结果表明:在着火列车继续向前行驶的过程中,隧道顶棚处温度最高,沿隧道高度向下逐渐降低,且烟气没有扩散至隧道高度2 m以下的范围;列车行驶速度越大,隧道两侧的烟气扩散的速度越快,蔓延的范围也越大;若车内的人员保持在1.375 m高度以下,可以保证生命安全.研究结果对于地铁列车着火后继续在隧道中行驶时的安全研究具有一定的参考作用.     

列车气动效应作用下隧道衬砌混凝土水分传输理论研究

针对高速列车气动效应在铁路隧道衬砌混凝土表面产生的高速气流和空气低压作用,提出考虑列车气动效应的隧道衬砌混凝土水分传输和湿度场理论计算模型,并对气体流速和表面低压等关键影响因素进行分析。研究结果表明：高速气流加速混凝土表面水分交换速率并减薄水汽过渡层,表面低压作用降低环境中的水蒸气分压并增大混凝土表面与内部孔隙之间的压力梯度;混凝土表面风速越大、气压绝对值越低,其内部湿度下降越快;环境条件对混凝土湿度场的影响仅局限在混凝土表面一定范围内,环境风速和表面气压变化对混凝土内部湿度影响较小;在标准大气压条件下,当混凝土表面风速由5 m/s增大至15 m/s时,距离干燥面10 mm和30 mm处60 d龄期时相对湿度分别降低32.6%和3.9%;在环境风速为0 m/s条件下,当混凝土表面气压由80 kPa降低至50 kPa时,距离干燥面10 mm和30 mm处60 d龄期时混凝土相对湿度分别降低37.9%和3.8%。本文所提出的理论模型可较准确地描述上述因素对混凝土湿度变化的加速效应。     

新型高速列车隧道空气动力学模型实验系统

目前高速列车隧道空气动力学模型实验系统主要用于分析隧道内压力波的变化规律,难以对空气动力学效应进行完整的分析.针对这一局限性,从科特流(Couette)理论出发,提出了一种新型实验系统即旋转式高速列车—隧道模型实验系统,介绍了该系统的可行性、结构、实验原理及其特点.分析表明:该新型实验系统结构简单、功能完善、成本低、实验重复性好,适用于进行高速列车通过隧道时产生压力瞬变、微气压波、列车活塞风、行车阻力和气动噪声等一系列空气动力学实验,并能测量隧道内和列车隧道环形空间的气流速度场,对研究高速列车隧道空气动力学问题有重要意义.     

高速列车通过带有套衬结构隧道气动效应分析

采用三维、可压缩、非定常N-S方程的数值计算方法,对8辆编组的高速列车以300 km/h速度通过带有套衬结构隧道时车体表面及隧道壁面的瞬变压力进行分析。研究结果表明:数值计算结果与动模型实验结果较吻合,2种方法得到的压力曲线变化规律一致,幅值误差在5%以内;列车通过隧道时,车体头、尾处测点压力差别较大,中部测点压力差异较小;沿列车车身方向,测点正压幅值逐渐减小,负压幅值逐渐增大;隧道壁面测点压力峰峰值在隧道进、出口附近较小,而在靠近隧道中部时较大;隧道内安装套衬对于高速铁路双线隧道气动效应影响很小,加装套衬前后,测点压力幅值差异在2%以内。因此,建议在对高速铁路隧道病害整治中,考虑使用套衬技术。     

头部主型线变化对列车隧道交会气动性能的影响

基于三维、可压缩、非定常N-S方程和k-ε双方程湍流模型,对不同主型线头部列车隧道交会气动效应进行数值模拟,得到列车在隧道内交会时的侧向力、总阻力以及隧道壁面压力变化。研究结果表明:隧道壁面和列车表面压力测点数值计算结果与动模型实验、实车试验结果较吻合,相对误差均在5%以下;单拱型列车隧道交会气动性能略优于双拱型;纵剖面型线对列车隧道交会气动力影响较大,纵剖面型线从下凹变化到上凸,头车、中间车和尾车侧向力幅值系数分别增加11.2%,14.0%和23.7%,最大总阻力系数增加7.2%;水平剖面型线从最宽外形变化到最窄外形,头车、中间车和尾车侧向力幅值系数分别增加3.4%,2.4%和4.6%,最大总阻力系数减小4.0%;改变头部主型线对隧道壁面压力变化影响较小,最大相对误差为1.7%。