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列车动荷载对下立交结构的影响分析

第23卷 第20期

岩石力学与工程学报 23(20):3536~3540

2004年10月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct .,2004

2003年5月7日收到初稿,2003年6月30日收到修改稿。

作者 雷震宇 简介:女,32岁,博士,1994年毕业于成都科技大学力学系,现主要从事计算岩石力学方面的研究工作。

列车动荷载对下立交结构的影响分析

雷震宇 周顺华 许 恺

(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 200092)

摘要 通过弹塑性动力有限元法对列车动荷载与轨下结构组成的系统进行了动力响应分析,研究了轨下有较大刚度结构存在时对路基内竖向动应力的变化规律的影响,并对不同埋深隧道的附加动应力进行了讨论。分析中采用轨枕-道床全支承模式,土体采用理想弹塑性动本构模型。结果表明轨下构筑物的存在将减弱列车动应力往深层传递的衰减。隧道埋深越大,路基内附加动应力整体水平越低,对轨下结构的影响越小。建议在设计时考虑长期列车动荷载对混凝土的疲劳破坏。

关键词 隧道工程,下立交结构,轮轨力,动力有限元法

分类号 U451.3 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)20-3536-05

EFFECT ANALYSIS OF TRAIN-INDUCED DYNAMIC LOAD ON

OVERHEAD CROSSING STRUCTURE UNDER RAILW A Y

Lei Zhenyu ,Zhou Shunhua ,Xu Kai

(Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education ,Tongji University , Shanghai 200092 China )

Abstract The dynamic response of the system composed of rail wheel ,rail and tunnel under railway is analyzed with elastoplastic finite element method. The influence of the structure under rail with bigger stiffness on variation regularity of vertical dynamic stress in roadbed is studied. The additional dynamic stresses of tunnels with different depths are also discussed. The ideal touch model between tie and bed and the ideal elastoplastic dynamic model of soil are adopted for analysis. The analysis results indicate that the attenuation of additional dynamic stress along depth is reduced with existence of the structure under rail. The deeper the tunnel is ,the lower the whole level of dynamic stresses in roadbed is and the smaller the influence on tunnel is. In addition ,the fatigue failure of concrete due to long-term train-induced dynamic load should be considered in design.

Key words tunnelling engineering ,overhead crossing structure under railway ,rail-wheel force ,dynamic finite element nethod

1 前 言

随着我国列车的提速,原来的平交道口纷纷改

成立交的方式,下立交的数量越来越多。而现有的设计方法将列车荷载简化为中荷载[1],不考虑列车行驶产生的动应力的影响,这种静态的设计思想往往对上部的列车动应力长期作用效果估计不足。最近对上海铁路局杭州铁路分局管段内的下穿式立交

的调查表明,从浙赣线K12+500~K75+600的60

多公里的范围内有5座不同的下立交发生开裂,最大裂纹宽度达1 mm 。本文试图从下立交结构距轨道的不同深度入手,来研究行车动荷载与铁路下穿式结构的相互影响。

2 列车动荷载的特征

2.1 列车动荷载的产生

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列车动荷载对下立交结构的影响分析

列车动荷载对下立交结构的影响分析

列车动荷载对下立交结构的影响分析

列车动荷载对下立交结构的影响分析

轮轨间的动作用力向上作用于机车车辆,向下作用于轨道结构、路基或轨下构筑物,是连接机车车辆系统与轨道结构、路基或轨下结构的中间环节。列车行使过程中,动荷载随机车车辆和轨道的构造及其状态以及机车车辆的运动状态而变动。列车竖向动载荷受多种因素的影响,如轴重、行车速度、轨道不平顺等。轮轨力随着轴重和车速的增加而增大,而轨道不平顺是引起机车车辆振动、产生轮轨间动作用力的主要原因。

常见的轨道不平顺归纳起来有高低、水平、轨向和轨距不平顺等4种主要形式[2],它们都是里程的随机函数,轨道随机不平顺的统计特征只能依靠线路实地测量获得。通过车辆-轨道耦合计算模型即可进行车辆动力学仿真计算,并由此得到轮轨作用力R d 。

2.2 轮轨力的传递

行驶中的列车动荷载通过钢轨作用在轨枕上,然后由道床传递至路基中。轮轨力通过轨道结构各部件吸收、扩散,使得由钢轨承担的相对较大的荷载变成了由轨枕、道碴等来共同承担的相对较小的分布荷载。道床中的动应力实际上由轨枕与道床间的接触应力引起,如图1。其顶面压应力为

BL R F P d s a = (1)

式中:F s 为不均匀系数,B 为轨枕宽度,L 为道床有效支承长度。以式(1)确定的动应力作为路基及轨下构筑物动力响应的激励函数。

图1 道床应力计算模型 Fig.1 Stress model of road bed

我国的轨枕设计一般选取道床支承形式有3种情况:中间不支承、中间部分支承和全支承。不同支承情况对应的有效支承长度L 亦不同。 采用近似方法计算道床竖向应力时,一般假设轨枕应力以扩散角?

按直线扩散规律从道床顶面向

下传递到路基面,不考虑相邻轨枕的影响,传递到路基面的压应力达到基本分布均匀的要求。

从图1中的分布模型可得距轨枕下h 深度处的单根轨枕产生的道床应力为

)

tan 2)(tan 2(d

h ??σh L h B R ++= (2)

3 车载-下立交的动力体系

3.1 计算原理

道床、围岩和下立交结构体系的运动方程可写为

}}{]{[}]{[}]{[F K C M δδδ

++&&& (3) 式中:[M ],[C ]和[K ]分别为体系的质量矩阵,阻尼

矩阵和刚度矩阵;}{δ

&&,}{δ&和}{δ分别为节点加速度,速度和位移;[C ]为阻尼矩阵,采用Rayleigh

阻尼,即

][][][K M C βα+= (4) 式中:α

和β 均为阻尼系数。

土在动载荷作用下的变形常常包括弹性变形和塑性变形两部分[3]。采用理想弹塑性土动本构模型的计算模型[4]。应力-应变关系为一个平行四边形。动本构关系中,当0d σσ<时,ed ed ed εσE =;当0d σσ=时,进入塑性状态,动应力不变,而动应变不定,直至d σ转向再沿弹性关系变化,如图2所示。

图2 弹塑性模型 Fig.2 Elastoplastic model

3.2 计算模型的简化

轨下构筑物一般与轨道线路方向正交或斜交,

因此对于隧道结构而言,一般可简化为一个平面应变问题[5,6]。沿隧道截面(即为线路方向)取一计算平面,计算范围沿线路方向可取5倍洞径以上,垂直方向取4倍洞径以上。作用其上的轮轨力实为一移

d d

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列车动荷载对下立交结构的影响分析

动的动荷载,为简化计算,可选取最不利荷载作用位置,以确定下穿式结构的最大动力响应。 采用轨枕-道床全支承模式,则式(1)中,L =轨枕长度/2 = 12.5 m ,取F s = 1。

4 计算实例

本文将以一在建地铁车站为背景,该车站是目前国内第1个从铁路繁忙干线大站下穿越的地下车站。

隧道拱部处于晚更新冲积土层中,按隧道的围岩分类,拱部以上属于Ⅰ~Ⅱ类围岩,自稳能力极差,而洞身大多处于强风化岩层之中,属于Ⅱ~Ⅲ类围岩。隧道段以80°下穿铁路站场8条线路,设计采用双隧道式车站隧道过站,隧道中心线线间距为18.9 m 。

隧道过站部分设计埋深约7 m 。为了研究列车动荷载对不同埋深隧道的影响程度,本文另建立了埋深分别为4和11 m 的轨下隧道模型,隧道结构形式及围岩地质情况则完全相同。

计算采用体系离散的有限元网格,如图3所示,计算范围沿线路方向取100 m ,垂直方向取50 m 。有限元网格两侧采用水平约束,底面采用竖向约束。采用图中所示直角坐标系xy 。

当列车行驶到隧道上方时对隧道影响最大。假设机车为30-30轴式的东风9(DF9)型,轴重23 t ,其固定轴距为400 cm ,两转向架之间的距离为1 190 cm ,因此机车轮载的作用位置基本上在两个隧道的正上方。剩下的范围作用一节车辆荷载,轴重21 t 。

由轨检车实测的沪-宁线轨道随机不平顺函数作为激励,通过车辆-轨道耦合模型[7,8]计算出轮轨力如图4,其中列车的行驶速度为70 km/h 。

图4 列车动荷载曲线 Fig.4 Train-induced dynamic load

计算所需材料参数列于表1内。

表1 材料参数表 Table 1 Material parameters

材料类型 密度 /kg ?m -3 动模量 /MPa 泊松比 摩擦角 /(°) 粘聚力 /kPa 厚度

/m 素填土 1 950 21.2 0.40 16.2 16.3 2.00 粉质粘土 1 980 26.92 0.35 16.4 29.7 3.20 混合土 1 930 26 0.30 16.6 31.5

1.50

闪长岩 1 940 60 0.25 23.9 23.5 35.00 C25混凝土 2 300 5.1×104 0.25 52.0 2 400 0.35 C30混凝土 2 300 6×104 0.25 55.0 6 324 0.50 道碴

2 000

400

0.30

55.0

0.35

计算分析中采用了Drucke-Prager 屈服准则和

图3 有限元模型 Fig.3 Finite element model

x

y

3

2 1

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关联流动法则[9];分析时长,取T = 10 s;时间步长s

025

.0

=

t?;阻尼系数α和β,根据经验取为

02

.0

08

.0=

α,[10];Newmark积分常数取为γ= 0.25,δ = 0.5。

图5中分别绘出了埋深为4,7和11 m这3种不同情况下,隧道上覆土层内(位于图3中的连线2-3处,即右洞顶正上方土层)竖向动应力沿深度的变化规律。

列车动荷载对下立交结构的影响分析

图5 路基内竖向应力沿深度的变化规律Fig.5 V ariation of vertical stress in roadbed wtih depth

从图5中可以看出有轨下构筑物存在时动应力的变化规律:一方面,土层内的动应力随深度衰减,但衰减率渐低。以埋深7 m的设计隧道为例,路基动应力从表层50 kPa传递至隧道顶部仍有27 kPa,只衰减了46%,与通常情况下路基内动应力影响深度大约为3 m的实测结论差别很大。埋深为4和11 m的隧道,其动应力则分别衰减了24%和52%。这说明当线路下部有刚度较大的构筑物时,对列车动应力的衰减是不利的;另一方面,轨下隧道的埋深会影响路基内附加动应力的整体水平。隧道埋深越大,上覆土层内附加动应力整体水平越低;反之则越高。以基床表层为例,隧道埋深11 m时动应力σy比埋深4 m时减小了12%,即列车动应力对隧道结构的影响也减小。

图6为列车动荷载作用下不同埋深隧道拱部内侧点1处(见图3,右洞顶)附加动切向应力时程曲线。

从图中可以看出,隧道顶部内侧受拉且随着隧道埋深的加大,隧道衬砌内的动应力减弱。埋深从4 m到11 m,动应力峰值从1.55 MPa变为1.1 MPa,衰减了30%。由此可见,在进行轨下结构设计时,隧道埋深应尽可能大些,对于埋深较浅的隧道结构,内衬混凝土应采用更高标号的,并应更加注重施工质量。

列车动荷载对下立交结构的影响分析

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列车动荷载对下立交结构的影响分析

图6 不同埋深隧道拱顶附加动切向应力σx时程曲线Fig.6 Additional tangent stress σx in top of the arch vs time

设计埋深7 m的隧道拱顶部附加动应力最大值约为1.3 MPa,采用目前的静态或准静态的结构设计方法,是能够满足C30混凝土设计要求的[11]。但由于列车荷载的作用是一个长期的、循环的效应,在循环荷载作用下混凝土结构或钢筋混凝土结构的强度会降低,即混凝土结构或钢筋混凝土结构在动应力作用下,可能在未达到静强度的情况下即产生疲劳开裂,因此建议,对于轨下构筑物的设计应考虑附加动应力的影响。

5 结论

通过上述分析可以获得以下结论和建议:

(1) 当轨下有刚度相对较大的构筑物存在时,将会造成路基内的动应力重分布,从而减弱列车动应力往深层传递的衰减,路基内的附加动应力随深度的平均衰减率约0.06%/m,在该类结构的设计施工中应引起足够重视。

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(2) 隧道埋深越大,上覆土层内附加动应力整体水平越低,隧道埋深为11 m时路基表层动应力σy比埋深为4 m时减小了12%,同时对轨下结构的影响越小;埋深从4 m到11 m,隧道拱顶部动应力峰值从1.55 MPa变为1.1 MPa,衰减了30%。

(3) 对穿越既有线路地下构筑物的设计应采用疲劳破坏的设计思想。

参考文献

1 铁路规范编写组. 铁路桥涵设计基本规范(TB10002.1-99)[S].

[s. l. ]:[s. n. ],2000

2 王午生. 铁路线路工程[M]. 上海:上海科学出版社,1999

3 Lysmer J,Kuhlemeyer L. Finite dynamic model for infinite media[J]. J.

of ASCE,1969,95(4):859~877 4 王杰贤. 动力地基与基础[M]. 北京:科学技术出版社,2001

5 潘昌实,谢正光. 地铁区间隧道列车振动测试与分析[J]. 土木工程

学报,1990,23(2):21~28

6 潘昌实,Pande G N. 黄土隧道列车动荷载响应有限元初步数值分

析研究[J]. 土木工程学报,1984,17(4):19~28

7 翟婉明. 车辆轨道垂向系统的统一模型及耦合动力学原理[J]. 铁

道学报,1992,(3):10~21

8 翟婉明. 车辆-轨道耦合动力学[M]. 北京:中国铁道出版社,1997

9 欧文 D R J,辛顿 E. 塑性力学有限元——理论与运用[M]. 曾国

平,刘忠译. 北京:兵器工业出版社,1989

10 李田. 结构时程动力分析中阻尼取值研究[J]. 土木工程学报,

1997,30(3):69~73

11 《建筑结构规范大全》编写组. 现行建筑结构规范大全[S]. 北京:

中国建筑工业出版社,1994

《岩石力学与工程学报》2004年11期EI收录论文(30篇)

No 论文题目作者名页码

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