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双层衬砌盾构隧道对冲击荷载的动力响应分析
- 摘要：
通过建立一个有限元分析三维数值有限元模型来分析列车隧道随着时间变化的曲线在不同的速度和力量下对列车配置和斜冲击角度的影响。混凝土塑性损伤模型通过手持终端时间积分方案，用于研究的动态响应双层衬砌盾构法隧道。模型模拟表明,冲击力对火车的速度和角度的影响，也反映出列车的配置。发现了两类特征力与时间曲线列车隧道多峰高斯拟合的影响。,虽然它大大减少了二次衬砌的厚度，但增加了更大的冲击速度和冲击角。拉伸破坏的影响角度和方向,及压缩破坏集中在后面,上面和下面，其平均最大拉伸损伤超过抗压破坏。
- 关键词：
二次衬砌 列车冲击力 节段衬砌结构 动态响应 抗拉和抗压破坏 时程曲线
- 简介
中国公众最近越来越关注高速列车的安全性。鉴于高速铁路建设的背景,有一个火车脱轨的威胁会影响到隧道盾构衬里曲线和斜坡，足以造成的结构性损伤，所以进行了这项研究。其目的是为了揭示：增加盾隧道列车的动态响应的影响，防止损坏衬砌结构在高速公路上的影响,非通道结构候墙壁和码头等构造在盾构隧道处理车辆可能造成的影响，列车质量大和速度高、双衬里由成型二次衬砌节段衬砌内应对火车可能造成的影响。例子包括,施正荣紫阳隧道广州-深圳-香港客运专线铁路(设计速度350公里/小时),黄浦江水下面的铁路隧道,和琼州海峡海底隧道,等等。
许多国家已经认可水下盾构隧道的节段衬里可能会受列车的影响。双隧道衬里是用来解决这个问题的,但抗冲击性衬里的设计使用基于经验的而不是基于理论或实践的。中国和国外出现这种情况的的原因是小数量的实际列车脱轨事故以及相关测试数据的缺乏和双隧道衬里的冲击动力学研究及其抗冲击效果。出于这个原因,需要研究这些因素对不同训练负荷的影响变得日益紧迫。
首次研究被动保护技术是在20多年前。在1990年代末,美国联邦铁路管理局(1999)研究了单一车辆至刚性壁碰撞的影响和多体火车事故,并建立相关安全规范。柯克帕特里克施罗德(2001)和柯克帕特里克麦克尼尔(2002)着手于研究仿真分析的防撞性客运铁路车辆。萨顿(2002)回顾了火车的发展影响研究和介绍了不同车辆的设计和制造标准以及影响。提尔(2005)做了一个实验列车之间的影响。欧洲标准化委员会(2007)批准的站EN15227:2008列车防撞性能的进一步要求。谢和周(2015)和王.(2014)等人模拟吸能元件等薄墙管膜片和蜂窝结构的影响下火车,和他们的碰撞性能被模拟测试,这些研究的结果应用于列车车体与良好的效果(谢和周,2014)
大多数的研究都集中在通过假设冲击载荷在火车上产生的影响，列车的防撞性旨在保护乘客。2007年,为了研究动态响应特性的混凝土板受冲击荷载、Zineddin和克劳萨默(2007)分析了影响因素最大冲击力,采用测试方法,对冲击力时程,钢筋应变,位移和速度。Burlion等人(2000)开发了一种基于耦合损伤本构模型和塑性混凝土;这些研究的结果对研究冲击荷载下混凝土衬砌的破坏机制有重要参考价值。
盾构隧道双层衬砌结构的研究与静力荷载作用下双层衬砌的相互作用机理的研究有Hori-chi(1989)报道了轴向等效刚度的双衬。Wunfah和迪丽娅Posta(1992)进行了一系列的全面对盾构隧道增加加载测试。村上春树和淳（1987）进行多尺度轴双层衬砌盾构隧道刚度模型试验。冯等人（2013）研究了高速铁路二次衬砌的水下盾构隧道衬砌结构的力学性能，以及岩等（2015）通过实验提出了一种改进的双衬盾构隧道数值模型和测试。
尚没有报告研究指出动态特性和损伤评估增加引起的冲击载荷下导致盾构隧道列车脱轨碰撞的原因。本研究包含对双衬砌盾构隧道衬砌结构动力响应有限元分析结果的研究。
本文分为五个主要部分。第一部分 建立一个简化影响高速列车和刚性墙获得近似时程曲线的影响力量的三维模型。第二到四部分 不同列车冲击荷载下双层衬砌盾构隧道衬砌结构动力响应特性的研究 第五部分从研究中得出的结论。
- 动态解决方案与损伤分析理论
该结构的非线性动力响应的列车出轨的影响可能利用希尔伯特–休斯–泰勒时间集成解决方案（HHT的方案：丹西伊等人 2006）来自早期的纽马克时集成方案。HHT隐含的计划是任何时段△t高度的稳定。达朗贝尔力量平衡，位移和速度t＋△t，是由静态力的加权平均值t和t＋△t给出的。
弹性元件
位移
速度
[ M ]是质量矩阵；[C]是阻尼矩阵；[K]是刚度矩阵；[P]是列车冲击力；{U}是位移增量；是速度增量；加速度增量；alpha;一是权重因子；beta;和y是由alpha;确定的，如：
权重因子为3 / 1和0之间的值。当a= 0，HHT方案将降低到平均加速度法，采用各向同性弹性损伤理论和各向同性拉伸和压缩塑性理论对隧道衬砌混凝土的塑性损伤模型和其特性进行了描述。（埃德加 2001中国中华人民共和国建设部 2002）。该模型可以模拟混凝土的力学响应，受单轴荷载、循环荷载或动力荷载作用。各向同性损伤理论可以描述混凝土断裂过程中的不可逆损伤，在循环荷载作用下混凝土的刚度可以恢复。
对于拉力
这里dt是拉伸破坏因素，x= 这里是对应于峰值拉伸应力的峰值拉伸应变。=
是和alpha;t=，alpha;t是拉应力是混凝土抗拉强度的标准值或设计值。
对于压缩力
这里dc直流是压缩损伤因子，同时在这里是对应于峰值压缩应力的峰值压缩应变，。是压缩应力是混凝土抗
强度的标准值或设计值。这里是非弹性压缩或拉伸应变。是压缩或拉伸应变。E是弹性模量
利用上述公式，对管片衬砌材料被假定为C50混凝土，其中的弹性模量= 34500兆帕和泊松比，v=0.2表1给出了材料进入塑性状态后，应力与非塑性应变的关系以及塑性应变与塑性变形的关系。
3.冲击载荷特性曲线
3.1列车碰撞简化模型
火车身体的材料参数表2中列出根据实际列车的成分组成的选择。火车的有限元模型是由有限元分析和设计的铝合金外形状为薄壳单元模拟元素。嵌入式泡沫芯和玻璃纤维材料用增强塑料来模拟近似列车刚度和质量分布。通过与2000千牛/米与40千牛/米的刚度和阻尼的非线性弹簧模拟车厢之间的耦合（王和马 2010）。该模型简化为分析目的通过省略在外架型和具有影响小其他小部件局部小倒角。表1显示列车配置模型，其中一个机车，其特点是长度为25.4米，宽度为3.4米高度3.7米，重48吨，耦合器中心线间距25.7米，除8米，长度为24.5米，宽度为3.4米，高度为3.7米，重量为44.1吨，耦合器中心线间距为25米。采用平面接触法模拟了机车表面与刚性壁面之间的相互作用，在切向方向上施加了接触力和库仑摩擦接触模型。铝合金机车表面光滑，摩擦系数小，静摩擦系数为0.1，动摩擦系数为0.05。为了获得列车冲击载荷曲线，分析了所有126个可能的组合在六个冲击速度（100，150，200，250和300公里/小时）和七个倾斜的影响角度（2.5，5，7.5，12.5，15和17.5）的3种列车配置（9，13和17节车厢）。在这项研究中，被定义为影响角度之间的列车的方向和平面的夹角的影响。如图2所示的应力是相当于冯米塞斯强调（也被称为第四强度理论在中国）。从图中，很明显，冯米塞斯的地区主要分布在左端（相对方向）的机车头。将刚性壁面上的刚性壁面设置为监测面，以及由此受的生产力影响的所有接触元素监控表面中提取,因此可以得出冲击力的时程曲线。
3.2列车配置对冲击力的影响
图三显示了3列车配置9、13和17节车厢的冲击曲线的冲击速度，当假定为300公里/小时和影响角度17.5。这些配置的影响时间的历史曲线和数值是接近的，这意味着任何火车配置的时程曲线主要影响前几节车厢，这是因为这个影响发生在一个非常短的时间内，惯性力的传输是通过列车运输之间的耦合，整个过程几乎是完全的。任何叠加效应不大可能发生，因此，在下面的研究中不会有特别的分析。
3.3不同冲击速度和角度冲击力时程曲线
表4显示了图中影响力（KN）和时间（ms）和刚性墙7点影响角(2.5,5.0,7.5,2.5,5.0,15.0,17.5)在不同列车速度的关系。大风时，最大冲击力和冲击速度表现出很强的相关性，也得到了提高。对于了给定的冲击速度原力也成为了增加冲击角的重要因素。在表4中可以看到300公里每小时的速度和17.5的冲击影响角发生是在40000千牛最大冲击力。
冲击力的作用时间与角度的影响是密切相关的。在一个角度约为5.0或更低,冲击作用时间保持在25毫秒左右,不受冲击速度的影响。然而,在7.5及以上角产生影响,作用时间与冲击速度增加的影响变得大。列车以300公里/小时,最大冲击作用的时间是37.5,当冲击速度是200公里/小时或更多,一个明显的振荡与突出的多个峰值在表4中明显可以看到。
3.4冲击力特性曲线
根据具体形式的冲击力时程曲线,它们可以被分为两组特性曲线见图4。第一组(图5),力迅速增加其最大值在碰撞的瞬间,然后急剧下降，然后再次增加,振荡之前几次逐渐减少并最终消失。图三突出的峰，4和5这是典型的曲线和功能特性曲线。第二组特性曲线(图6),冲击力增加后在缓慢碰撞的瞬间,略有下降,再慢慢增加到峰值，在几毫秒后,然后慢慢下降,直到它消失了。这种类型的曲线通常最低速度产生的影响(50公里/小时)。
图5所示的特种情况，冲击力达到17300千牛在碰撞的瞬间，然后下降，振荡约11毫秒，最初在较低的值之前，摆在大约5.5毫秒的这种行为更高的价值可能受到以下车辆通过自动耦合器传输到机车车头的惯性冲击力的影响。在这个例子中，冲击力的影响在约32毫秒消失。
表3
高斯多峰拟合冲击载荷的典型参数
图8典型衬砌结构用300毫米二次衬砌
如图6所示特性曲线的第二集的例子，图中表明初期冲击力缓慢增加，之后的瞬间冲击到最大3230千牛在3毫秒内的影响。之前略微减少后又增加到4560千牛最大冲击力，然后缓慢下降直至消失。因为下面车厢的惯性力较小，在低的冲击速度汽车的阻尼耦合器之间车厢几乎消散动能。因此，二组特征曲线并没有表现出多峰现象。
由于列车的影响，第一组的特征曲线示出了几个峰，其中三个是突出的，如上文所讨论（图5）。峰值分化和模仿的冲击力-时间曲线，对三个突出峰进行研究是通过使用高斯多峰拟合方法（李等 2011）。高斯多峰拟合方法是一种拟合方法，利用高斯函数系统拟合数据点集；用多项式拟合的方法相比，它的特点是一个简单的计算模型同时具有良好的可解释性。
三个峰的不同的综合强度（图7）。拟合公式使用了10个拟合参数。其中p是拟合的冲击力；P0是多峰拟合基线；A1，A2，A3是三个拟合峰区（即每个综合强度）；W1，W2，W3是三个拟合峰半峰宽度和TC1、TC2，TC3；是三拟合峰。
为方便起见，本文针对力时程的影响曲线如图3所示，我国选择的标准火车速度是200公里/小时，也是目前城际客运专线和高速铁路的最小速度。三种速度为200，250和300公里/小时和三种冲击角度的影响，10°，12.5°和15°分别获得相应的拟合公式，公式参数列表（7）这九种情形。这些都是表3。
这样，为避免产生复杂的列车影响建模和其他数值模拟工作的必要性，列车荷载曲线可以直接由方程（7）得出。特别是在本研究采用三维有限元法计算列车的冲击力（见图8）。
- 冲击载荷作用下外节段衬砌动力响应分析
基于不同的列车速度和冲击角度取得的近似冲击载荷的影响，分析了不同冲击力、速度、角度和厚度对双层隧道衬砌结构的动力响应。（一）九个车厢的火车在不同的12.5个角度相撞与隧道衬砌进行了分析：（二）九个车厢的火车以200公里/小时在不同的角度相撞与隧道衬砌进行了分析。在实际情况下，接触面会随操作条件和时间的变化而变化，很难应用一个外力，让它作用的区域来影响隧道，所以获得一个平均面积的大约值计算来简化后续施工就显得尤为重要。50公里/小时和12.5公里/小时冲击力的时间历程曲线的两组特征，和接触元件的表面可能会被计数的七个时刻，包括峰值力矩的力矩和力矩为1毫秒、2毫秒、4毫秒、平均面积的冲击力。对于其他情况，冲击力的时间历程曲线特征的第一特征，和接触元件的表面可能会被计算在七个时刻，包括瞬间的峰值力和力矩1毫秒，2毫秒，3毫秒，4毫秒，8毫秒，16毫秒后，用上述的方法在不同的操作条件下冲击力作用的不同区域得到了平均面积。忽视影响区随时间变化的变化，得到的平均面积均视为盾构隧道的近似影响区。冲击力被分为三个方向（times;，y，z），并施加在二次衬砌作为平均表面力的冲击力的
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