基巖軟化條件下仰拱結(jié)構(gòu)疲勞壽命的預測分析

劉寧　彭立敏　施成華

摘要：由于隧道施工期間擾動及重載列車荷載的長期循環(huán)作用，造成底部基巖出現(xiàn)一定范圍的軟化和圍巖力學參數(shù)降低，引起拱底圍壓的不均勻分布，并影響基底結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。通過引入重載列車振動荷載函數(shù)和Miner線性累積損傷理論，建立了考慮基底軟化仰拱結(jié)構(gòu)疲勞壽命的預測方法，研究列車振動荷載作用下基底軟化因素對鐵路隧道底部結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響。計算結(jié)果表明：在基巖不同軟化條件下，隧道底部結(jié)構(gòu)動應力響應分布規(guī)律相似，隧道底部結(jié)構(gòu)各部位動拉應力和動壓應力增幅較大，仰拱結(jié)構(gòu)疲勞壽命明顯減小。隧道底部結(jié)構(gòu)仰拱中心處出現(xiàn)拉應力最大值，仰拱與邊墻連接處出現(xiàn)壓應力最大值。在仰拱結(jié)構(gòu)的應力計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合混凝土疲勞壽命原理，論述了基底軟化條件下隧道底部結(jié)構(gòu)疲勞壽命預測值。

關(guān)鍵詞：隧道底部結(jié)構(gòu)；疲勞壽命；動力響應；重載列車荷載

引言

隨著隧道工程建設(shè)量和服役時間的增加，隧道仰拱下部基巖在列車振動及地下水等因素耦合作用下，出現(xiàn)一定范圍和不同程度的軟化、破損等現(xiàn)象。在地下水與基巖的滲流耦合作用下，基巖逐漸軟化、破損、流失、掏空，最終形成了隧道底部基巖空洞，降低了基巖力學性能，形成了不利的隧道底部基礎(chǔ)條件，影響了隧道底部結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。由此可見，隧道基底不良狀況的存在對重載列車隧道結(jié)構(gòu)長期服役性能的研究具有重要的現(xiàn)實意義。

重載鐵路隧道仰拱結(jié)構(gòu)的核心問題是圍巖壓力和列車荷載耦合作用下結(jié)構(gòu)長期服役的穩(wěn)定性及安全性。列車大重量、高密度的運營使軌下基礎(chǔ)承受更大的振動荷載，使得線路狀態(tài)和軌道結(jié)構(gòu)及底部結(jié)構(gòu)破壞特征較傳統(tǒng)線路變化明顯。隧道底部結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)直接影響到整個隧道結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。

在數(shù)值計算方法對隧道振動響應研究中，一般將整體模型系統(tǒng)劃分為列車一軌道系統(tǒng)和隧道一圍巖系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)。Yang等利用2.5D有限元/無限元方法，通過移動載荷模擬列車載荷，分析了車速低于和高于Rayleigh波速時列車載荷引起的波動問題，并對地下列車運行引起的振動問題進行了參數(shù)研究。Bian等采用2.5D有限元方法和吸收人工邊界分析了地鐵運行引起的波傳遞問題。sheng等采用波數(shù)有限元與邊界元結(jié)合的方法，求解了地鐵車輛作用下的隧道振動響應。Andersen等分別采用二維、三維耦合有限元一邊界元方法對列車通過隧道時引起的振動問題進行了研究，準確預測隧道結(jié)構(gòu)和深度等因素引起的響應，需要建立完整的三維模型。Hunt等采用Pipe-in-Pipe的半解析方法預測地下隧道在地鐵車輛作用下的振動響應，研究了波在軌道、隧道、土體中的傳播問題。Gupta等采用周期有限元和邊界元耦合方法，結(jié)合Pipe-in-Pipe模型，對隧道中列車運行引起的振動問題進行了數(shù)值分析，并結(jié)合試驗結(jié)果進行了參數(shù)研究。Degrande等采用有限元方法模擬隧道，邊界元方法模擬土體，并通過模型化方法將土體與隧道三維耦合，預測了地鐵列車作用下隧道振動情況。

本文使用軌道-隧道結(jié)構(gòu)耦合動力模型，采用激振力函數(shù)模擬了重載列車荷載，列車振動過程中隧道結(jié)構(gòu)之問接觸采用阻尼機制模擬振動波的傳播機制。基于相關(guān)結(jié)構(gòu)體系振動理論運用有限元軟件ANSYS進行模型的建立和靜力和動力分析，并依據(jù)混凝土疲勞壽命模型結(jié)合疲勞分析軟件Fe-Safe計算模塊定義疲勞荷載、材料疲勞參數(shù)、疲勞計算方法及其他各種疲勞影響因素。通過有限元軟件ANSYS和疲勞分析軟件Fe-Safe的交互運算，模擬分析不同基底狀況對隧道底部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響程度及規(guī)律，隧道底部結(jié)構(gòu)疲勞壽命分布影響規(guī)律。