基于BIM+FE技術的鐵路車輛-隧道吸能防護系統(tǒng)研究

劉 沛,趙亮亮,董鳳翔

(中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

近年來，隨著數(shù)字化技術的飛速發(fā)展，我國軌道交通行業(yè)在數(shù)字、智能領域開辟了新的天地，建筑信息模型(Building Information Modeling，下文簡稱“BIM”)成為了新時代勘察設計階段不可或缺的環(huán)節(jié)。因此，基于BIM平臺，研究和探索由BIM與傳統(tǒng)設計聯(lián)合的“BIM+”技術是當代軌道交通行業(yè)設計階段的重要任務之一。

目前，鐵路隧道正逐步實現(xiàn)其BIM正向設計，但多以隧道本身所攜帶的信息為BIM設計重點，忽略了隧道在使用過程中可能發(fā)生的外界激勵導致的自身結構性能的優(yōu)劣。《鐵路隧道設計規(guī)范》[1]規(guī)定：隧道襯砌在外界因素的刺激下，應具備較強的結構穩(wěn)定性，以較大程度保護隧道結構與車輛的安全。根據(jù)隧道運營統(tǒng)計數(shù)據(jù)，列車在小半徑曲線隧道處運行時存在極高的脫軌傾覆風險。因此，基于BIM平臺，結合傳統(tǒng)的非線性大變形有限元(Finite Element，下文簡稱“FE”)設計理論，以“BIM+FE”手段設計和建立合理的隧道吸能防護系統(tǒng)至關重要。以某小曲線半徑隧道為研究對象，以某9編組動力集中動車組作為外界干擾源來碰撞曲線隧道，針對曲線隧道的自身結構和耐碰撞特性，提出適用于該曲線類隧道結構形式的吸能防護系統(tǒng)，利用LS-DYNA軟件對該隧道防護系統(tǒng)的碰撞性能進行仿真分析，并按一定規(guī)則將此系統(tǒng)安裝在曲線隧道最易發(fā)生脫軌事故的圓曲線區(qū)段，進行整車碰撞仿真，獲得吸能防護系統(tǒng)對該隧道抗外界干擾性能的改進情況。

1 車輛-隧道模型的創(chuàng)建

1.1 隧道模型的創(chuàng)建

1.1.1 隧道BIM正向設計流程

鐵路隧道BIM設計基于Bentley二次開發(fā)的隧道正向設計軟件實現(xiàn)，主要包括屬性標準定義、數(shù)據(jù)資料準備、廊道模板創(chuàng)建、洞身設計建模、洞口設計建模及輔助通道洞室建模，最終輸出隧道工程數(shù)量表等。設計前期，先依照鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布的IFC/IFD編碼標準創(chuàng)建EC Schema文件，并用設計工具創(chuàng)建標準構件及模板。在開始建模時，參考地模、地質和路線模型，利用標準構件和模板完成洞身、洞口、輔助硐室及輔助坑道的設計建模，并依靠模型進行受力結構分析計算。設計人員以分析計算結果為參考對模型進行深化設計，并完成隧道模型配筋建模，最后完成隧道模型總裝，并生成隧道模型、圖紙、工程數(shù)量表、結構計算報告文件。鐵路隧道BIM正向設計技術流程如圖1所示[2-6]。

圖1 隧道BIM正向設計流程

1.1.2 隧道BIM+FE模型創(chuàng)建

以某小曲線半徑的鐵路隧道為研究對象，其洞身區(qū)段由中間盾構隧道、兩端明挖隧道和始發(fā)、接收盾構井構成。其中盾構區(qū)段作為該隧道洞身的主要組成部分，全長11.36 km，最小圓曲線半徑為2200 m，其整體線路示意如圖2所示。

圖2 隧道線路示意

參考地質、地形和線路模型，根據(jù)地質縱斷面圖標識的圍巖等級，利用基于Bentley PowerCivil軟件二次開發(fā)的隧道建模工具，設計并創(chuàng)建出適合該段線路明挖和盾構的隧道廊道模板。根據(jù)設計要求意圖，在盾構井點設計并創(chuàng)建始發(fā)、接收盾構井模型，利用具備基于IFC/IFD編碼標準屬性的隧道廊道模板在相應的明挖和盾構里程創(chuàng)建相應預設區(qū)段的隧道洞身模型，依據(jù)地形與地質特征以及所建立的洞口段洞身的形狀特征，設計與創(chuàng)建進出口洞口模型，最終生成LOD3.0等級的隧道BIM設計模型。其中洞身模型包括初期支護、二襯、防排水溝、電纜槽、中心排水溝、各類蓋板以及路軌組件等。隧道BIM模型及構件細節(jié)如圖3所示。

圖3 隧道BIM模型及構件細節(jié)

基于創(chuàng)建的隧道BIM模型與FE理論，利用HyperMesh14.0軟件將小曲線所在的隧道盾構區(qū)段的BIM模型離散成FE模型[7]。其中，用8節(jié)點實體單元對襯砌、回填、軌道等主體結構進行離散，各蓋板則用4節(jié)點殼單元進行離散，洞內設備則用質量單元來模擬。構件之間設置面面接觸以防止穿透。模型共有3 178 336個單元，曲線段盾構隧道FE模型如圖4所示。

圖4 曲線段盾構隧道有限元模型

1.2 列車FE模型創(chuàng)建

以某9編組動力集中動車組作為外界干擾源來碰撞曲線隧道。為使得仿真結果更加精確，需從轉向架、車體等方面對列車進行合理而精準的FE模型創(chuàng)建。

1.2.1 轉向架建模技術

轉向架是車輛的走行部件，也是車體與鋼軌之間的重要傳力部件，在本碰撞仿真中，由于研究與考核的對象為隧道結構，因此，轉向架FE建模時不需要與三維模型完全一致，但其主體結構、牽引裝置、懸掛彈簧和輪軌關系必須要遵循特定的要求。其中，用Beam單元與車體枕梁和牽引裝置之間的ContactSpotweld類型的接觸來模擬連接螺栓；利用6 DOF的DISCRETE BEAM單元給空氣彈簧和軸箱彈簧設置預壓力的方法來平衡車體的初始重力；利用LS-DYNA中的*INITIAL_VELOCITY_GENERATION關鍵字在輪對與軸箱間建立轉動副以施加轉動角速度。基于上述主體結構、牽引裝置、懸掛彈簧和輪軌關系的簡化要求，最終建立的9編組動車組轉向架的碰撞FE模型如圖5所示。其中殼單元設置為Belytschko-Tsay積分算法，實體單元設置為constant stress solid element積分算法，離散梁單元設置為discrete beam積分算法[8]。

圖5 動車組轉向架碰撞FE模型

1.2.2 車體結構建模技術

由于車體為大型鋁合金車體，所以選擇殼單元對其進行結構離散。通過抽取中面的方法先將所建立的實體模型轉換成中面模型，并且中面模型須具備和實體模型完全一致的組件連接關系(焊接關系)。

利用HyperMesh14.0軟件對車體中面模型進行網(wǎng)格劃分。由于車體端部為主要變形區(qū)，且網(wǎng)格的最小尺寸影響顯式中心差分法的時間步長，最終影響碰撞計算的時間成本，所以應采用“端部細畫，中間粗畫”的原則對車體結構進行4節(jié)點薄殼單元離散，車上設備則采用質量單元模擬，并通過3節(jié)點梁單元與車體連接，各車鉤和防爬器通過LS-DYNA的固連接觸來實現(xiàn)與車體安裝連接，頭車和中間車車體最終FE模型如圖6所示。

圖6 動車組車體FE模型

1.2.3 9編組列車的連掛編組

列車在隧道內運行時，為了確保列車各車輛轉向架與鋼軌之間有真實的輪軌接觸關系，根據(jù)隧道的BIM+FE模型，從橫向、垂向和縱向的角度確保列車在隧道內的空間位置客觀合理，且采用具有條件失效的固連接觸來保證車輛之間準確的車鉤連掛方式。將9編組列車的整體模型置于隧道圓曲線處，如圖7所示。

圖7 列車空間連掛編組

2 碰撞分析與響應研究

2.1 隧道+車輛(BIM+FE)碰撞模型及邊界條件

利用HyperMesh14.0軟件，綜合隧道和列車FE模型形成碰撞系統(tǒng)，如圖8所示。該碰撞系統(tǒng)中，共有實體單元3 477 582個，殼單元2 168 105個，梁單元9 898個，碰撞質量為612 t，輪軌接觸面上設置面面接觸，并在碰撞端部設置單面接觸，列車與隧道內壁之間設置面面接觸。參考EN 15227標準與國內外隧道事故統(tǒng)計，給系統(tǒng)模型施加表1所列的碰撞邊界條件來研究隧道在列車碰撞激擾下的洞身結構響應。

圖8 隧道+車輛碰撞FE模型

表1 R2200隧道+車輛碰撞有限元模型邊界條件

2.2 碰撞仿真與計算結果

利用LS-DYNA軟件的非線性大變形算法對本大型碰撞系統(tǒng)進行求解。在計算時，將積分時間步長設置為10-6s，碰撞終止時間設為500 s。在整個碰撞過程中，隧道襯砌結構的變形情況與應力分布如圖9所示。碰撞結束后，除列車車體結構吸收能量之外，隧道結構發(fā)生了較大的彈性變形，參與了24.6 MJ能量的吸收與釋放，并在與車輛的碰撞處產(chǎn)生了明顯的裂紋，其余動能以摩擦熱的形式消耗。

圖9 隧道壓潰變形情況與應力分布

3 隧道吸能防護系統(tǒng)設計

3.1 隧道吸能防護系統(tǒng)的組成與吸能分配

由上節(jié)計算結果可知：在第155 ms之前，碰撞變形吸能均由頭車車體承擔，隧道襯砌發(fā)生了輕微的橫向變形，在第286 ms時，頭車壓潰變形到極限而列車動能仍然巨大，中間列車車體開始變形吸能，但頭車巨大的動能無法吸收導致頭車與隧道之間的界面力驟增，隧道的橫向變形持續(xù)增大，直至超過了其強度極限產(chǎn)生裂紋。根據(jù)隧道設計規(guī)范，為了保證隧道的安全性，可在隧道內部設計吸能防護系統(tǒng)進行能量吸收。因此，該吸能防護系統(tǒng)必須具備的吸能水平是在壓潰行程不超過1 m時，最小吸能量為24.6 MJ，為了使變形過程有序而穩(wěn)定地進行，本文所設計的兩級吸能防護系統(tǒng)包含多個相同而循序排列的子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)由弧箱蜂窩鋁、剪切螺栓和錐形變截面方管等吸能元件組成，其在隧道內的安裝如圖10所示。其中，“蜂窩鋁箱-錐形方管”兩級吸能組件為隧道吸能防護系統(tǒng)的核心結構，各級元件的吸能分配情況見表2。

圖10 隧道吸能防護系統(tǒng)安裝

表2 吸能防護系統(tǒng)元件吸能分配

3.2 隧道吸能防護系統(tǒng)吸能特性仿真

3.2.1 鋁芯、薄壁管模型參數(shù)

弧箱鋁結構作為一級吸能元件，當隧道受到碰撞激擾時首先投入變形吸能，并且應當具備平穩(wěn)的壓潰變形過程，故采用材料牌號為AL5052-H32防銹鋁合金蜂窩結構作為弧箱鋁結構的基本材質與形態(tài)，其三維模型及其基本尺寸如圖11(a)所示；錐形方管作為二級吸能元件，是該吸能系統(tǒng)的主要吸能元件，故采用雙排錐形變截面正方管，其材質為AL6061-T4擠壓型材鋁合金，模型及其基本尺寸如圖11(b)所示。利用剪切螺栓將蜂窩鋁箱體與錐形方管連接，通過高強螺栓將錐形方管隧道連接[9]。

圖11 弧箱蜂窩鋁和錐形方管三維模型(單位：mm)

3.2.2 分級吸能防護子系統(tǒng)的吸能水平分析

在LS-DYNA軟件中，選用不考慮溫度效應的簡化Johnson-Cook彈塑性材料模型來模擬蜂窩鋁箱材料特性；選用Cowper-Symonds彈塑性材料模型來模擬錐形方管的應力-應變特性。

錐形變截面方管是該吸能防護子系統(tǒng)的基本吸能部分，在其被軸向壓潰變形的過程中，斜邊長度、平均軸壓力及壁厚之間的數(shù)學關系如下所示[10-11]

(1)

M0=σyh2/4

(2)

式中，Pm為平均軸壓力；M0為單位完全塑性彎矩；c為方管斜邊度；h為方管厚度；D、q為材料模型常數(shù)。

基于子系統(tǒng)各個元件的三維模型，建立如圖12所示的FE模型。圖12中，錐形方管與隧道安裝端固定約束，一面剛性墻以50 km/h的恒定速度對二級吸能子系統(tǒng)進行壓潰，將蜂窩鋁箱和錐形方管分別定義單面接觸，以避免在其壓潰變形的過程中產(chǎn)生自我穿透，蜂窩鋁箱和錐形方管間定義面面接觸。

圖12 “蜂窩鋁-方管”兩級吸能子系統(tǒng)FE碰撞模型

將上述碰撞模型的k文件提交LS-DYNA程序進行求解計算，得到隧道吸能防護子系統(tǒng)的變形過程如圖13所示。其軸壓力與吸能量隨時間變化的曲線如圖14所示。由圖13和圖14可知，蜂窩鋁首先參與壓潰過程，且變形平穩(wěn)，承受的壓力分布在蜂窩徑向方向且均值穩(wěn)定在3.5 MN，t=52 ms時，蜂窩鋁被完全壓潰而失效，行程約為395 mm，吸能約1.5 MJ，界面壓力驟增至12.25 MN，剪切螺栓被剪斷失效，錐形變截面管被觸發(fā)參與變形吸能，界面力繼而趨于6.125 MN保持穩(wěn)定，t=110 ms時，錐形方管變形結束，系統(tǒng)壓潰行程約為985 mm，總吸能量約為6 MJ。

圖13 隧道吸能防護子系統(tǒng)的壓潰過程

圖14 隧道吸能防護子系統(tǒng)碰撞性能曲線

4 隧道吸能防護系統(tǒng)對洞身耐碰撞性能的改進分析

4.1 具有吸能防護系統(tǒng)的隧道-車輛碰撞分析

將上節(jié)隧道吸能防護系統(tǒng)按照合理的布置規(guī)則安裝在盾構隧道的最易發(fā)生事故的圓曲線區(qū)段內，并使列車以180 km/h的初始速度與隧道發(fā)生碰撞，其余條件不變[12-16]。碰撞過程中，隧道襯砌與防護系統(tǒng)的變形如圖15所示。由圖15可知，隧道吸能防護系統(tǒng)幾乎全部投入變形吸能，且變形過程有序進行，顯著緩解了列車巨大動能給隧道造成的沖擊，避免了裂紋的出現(xiàn)。沿著列車運行方向，各兩級吸能組件逐個參與變形吸能。

圖15 裝有吸能防護系統(tǒng)的隧道碰撞變形過程

4.2 安裝吸能防護系統(tǒng)前后隧道碰撞性能比較

由于碰撞界面力和隧道襯砌橫向位移是隧道耐碰撞性能的關鍵考核條件，兩者均決定了隧道結構的安全性和穩(wěn)定性[17-20]。因此，將安裝吸能防護系統(tǒng)前后隧道承受撞擊力和襯砌結構的橫向位移進行對比研究，安裝隧道吸能防護系統(tǒng)前后隧道承受的撞擊力隨位移變化和襯砌橫向位移隨時間變化的對比曲線分別如圖16和圖17所示。

圖16 安裝吸能防護系統(tǒng)前后撞擊力-時間曲線對比

圖17 安裝吸能防護系統(tǒng)前后襯砌橫向位移-時間曲線對比

由圖16可以看出，在未安裝吸能防護系統(tǒng)時，襯砌承受的撞擊力初始峰值較大，必然導致襯砌結構承受巨大的沖擊加速度，且界面力均值較大；安裝吸能防護系統(tǒng)之后，各個防護子系統(tǒng)依次參與承載變形，且每次子系統(tǒng)表現(xiàn)出兩級吸能狀態(tài)，大大降低了整個過程的撞擊力均值，并降低了襯砌本身承受的撞擊力。由圖17可以看出，在未安裝吸能防護系統(tǒng)時，襯砌平均橫向位移約為31 mm，安裝吸能防護系統(tǒng)使得橫向位移降低至16 mm，顯著提高了襯砌結構的耐碰撞安全性。

5 結語

以盾構隧道BIM正向設計為出發(fā)點，以某小曲線半徑隧道為研究對象，以“BIM+FE”的手段設計和建立了合理的隧道吸能防護系統(tǒng)以提高隧道襯砌的碰撞安全性，并分析了該系統(tǒng)的碰撞吸能特性，最終對比了安裝隧道吸能防護系統(tǒng)前后襯砌承受撞擊力和橫向位移的變化情況。綜合本文的分析，得出如下結論。

(1)“蜂窩鋁-錐形方管”兩級吸能防護結構可降低撞擊力初始峰值，并使變形有序。

(2)變截面方管的錐度使得承載截面漸增，便利了褶皺往其中空區(qū)域有序潰縮；弧箱型蜂窩鋁結構使得撞擊力在接觸面上漸增，提高了壓潰過程的平穩(wěn)性。

(3)采用文中的隧道吸能防護系統(tǒng)，使隧道襯砌結構按照設計意圖變形，顯著改善隧道洞身的碰撞安全性。

(4)隨著計算機性能的進步，BIM技術與FE手段的聯(lián)合為鐵路隧道設計階段在結構改進與安全校核方面提供了便利，進一步開拓了BIM模型的應用范疇。