移动荷载作用下地铁隧道动力荷载传递规律研究

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随着城市地铁的快速发展,地铁隧道工程的建设规模会迎来新的高度。同时也为隧道设计、施工以及地铁运营维护带来诸多技术难题。在地铁列车移动荷载反复作用下,隧道结构的及围岩的动力响应尤为突出。本论文依据某轨道交通区间岩土工程详勘报告和某地铁隧道结构参数,建立了三维轨道-隧道-围岩动力有限元分析模型,研究了移动荷载作用下地铁隧道的动力响应特征,研究了动力荷载的传递规律,并研究了不同列车速度、列车轴重、围岩弹性模量对地铁隧道动力荷载传递的影响,主要结论如下:
  (1)在时域响应方面,移动荷载作用过程中,钢轨正下方的轨道板、仰拱、围岩单元竖向动应力以受压为主,二次衬砌、初期支护单元竖向动应力则受拉和受压交替变化。轨下的二次衬砌竖向动应力受拉和受压交替变化,拱腰及拱顶的二次衬砌竖向动应力以受压为主,其他位置的二次衬砌竖向动应力以受拉为主。
  (2)在空间域响应方面,沿深度方向,峰值时刻的竖向动应力从钢轨底面开始沿深度向下传递,经过轨下结构层迅速衰减,传递到围岩时数值已经很小。非峰值时刻,竖向动应力沿深度的分布无明显规律。在不同交交界面处竖向动应力数值不同,这是因为在交界面结构的弹性模量不同,导致交界面竖向动应力不连续。竖向振动加速度、竖向动位移、竖向振动速度也有类似规律。
  (3)在空间域响应方面,沿线路横向,不同时刻,轨枕底面轨道板位置、仰拱填充层表面竖向动应力沿横向分布相似。沿横向变化剧烈,均表现为从一侧迅速增大,然后迅速减小,中间平缓变化,之后又迅速增大,后又迅速减小,出现的2个峰值位于钢轨正下方;其他深度处无显著峰值特征,竖向动应力横向变化很小,可视为均匀分布。竖向动位移、竖向振动加速度、竖向振动位移也有类似规律。
  (4)在空间域响应方面,沿线路纵向,不同时刻竖向动应力与所施加的荷载在空间的位置相对应,并随时间朝横向坐标较大值一侧移动,能反应出荷载移动过程。在轨道板和仰拱填充层位置,竖向动应力具有明显的峰值,能反应出地铁列车6节编组的特征,说明同一转向架前后轮对所对应的荷载所引起的叠加效应明显,随深度的增加,叠加效应减弱。上层结构底面的动应力数值均比下层结构表面高。竖向振动加速度、竖向动位移、竖向振动速度也有类似规律。
  (5)随列车速度的增大,竖向动应力和竖向振动加速度随之呈近似线性增加,竖向振动加速度的变化更为强烈,而竖向动应力的变化相对较小。随列车轴重的增加,竖向动应力和竖向振动加速度随之呈近似线性增加,竖向动应力的相较竖向振动加速度的变化更为强烈。随围岩弹性模量的增加,竖向振动加速度呈近似线性减小,围岩弹性模量的增加对竖向动应力响应几乎没有影响。
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