脱轨列车撞击下盾构隧道的破坏力学特性研究

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1、国内图书分类号:U25密级:公开国际图书分类号:624西南交通大学研究生学位论文脱轨列车撞击下盾构隧道的破坏力学特性研究年级2015级姓名邓志鑫申请学位级别工学硕士专业桥梁与隧道工程指导教师晏启祥教授二零一八年五月ClassifiedIndex:U25U.D.C:624SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisRESEARCHONTHEDAMAGEMECHANICALCHARACTERISTICSOFSHIELDTUNNELUNDERDERAILMENTTRAINIMPACTGrade:2015Candidate:DengZhixin

2、AcademicDegreeAppliedfor:MasterofScienceSpeciality:BridgeandTunnelEngineeringSupervisor:Prof.YanQixiangMay,2018西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要列车脱轨事故不仅会造成重大的人员伤亡和财产损失,同时也严重威胁着铁路基础设施的安全。当列车脱轨事故发生在盾构隧道中时,列车与管片衬砌的剧烈撞击将引起接头螺栓断裂失效、管片衬砌损伤变形、管片混凝土破碎剥落等重大安全事故,从而诱发衬砌结构失稳,导致盾构隧道结构局部垮塌或整体报废。因此,为了揭示列车脱轨撞击盾构隧道的结构破坏特性,

3、为铁路盾构隧道开展针对性加强设计提供指导,本文基于撞击动力学和混凝土损伤断裂理论,构建了考虑接头效应和列车-隧道-围岩非线性动态接触耦合的有限元模型,对列车撞击作用下盾构隧道接头螺栓失效和管片衬砌塑性损伤、脆性破碎等一系列盾构隧道动力破坏机理进行了研究,得到了如下主要研究成果:(1)基于虚功原理和连续介质理论,阐述了撞击动力学相关理论并提出撞击动力学控制方程。研究对比了动力时间积分方法的特点及适用范围,系统总结了包括接触约束条件和接触界面算法在内的撞击动态接触相关理论。(2)提出了接触面单元和连接单元共同以构件形式模拟管片接头力学效应的模拟方法。基于连接单元失效准则,对比分析了是否

4、考虑螺栓失效两种情况下接头螺栓的失效范围、失效模式和失效次序,开展了接头螺栓参数、撞击速度对接头螺栓失效的敏感性分析;探明了螺栓失效对管片衬砌损伤破坏以及管片衬砌位移变形的影响。(3)基于运动接触算法,构建了车-隧-围岩非线性动态接触耦合模型,开展了小角度撞击作用下列车变形特性、能量转换特性和撞击荷载特性分析,揭示了撞击过程中列车主体动力响应特性及防撞吸能特性。探明了列车直接撞击作用下盾构隧道管片衬砌的位移变形方式和拉压损伤破坏特性。(4)基于混凝土塑性损伤和脆性断裂理论,探究了撞击速度这一主体因素对盾构隧道动力响应的影响;分析了撞击作用下管片衬砌混凝土局部破碎范围、破碎过程及破碎

5、演化规律。系统总结了结构多尺度界面连接类型及原理,构建了考虑接头效应的管片结构多尺度模型,开发了针对列车撞击问题的盾构隧道多尺度仿真模拟技术,验证了多尺度模型在管片结构静力计算以及解决复杂动力学问题上的可行性和实用性。关键词:列车撞击;盾构隧道;动力响应;破坏特性;多尺度西南交通大学硕士研究生学位论文第II页AbstractTrainderailmentaccidentwillnotonlycausesignificantcasualtiesandpropertylosses,butalsoposeahugethreattothesafetyofrailinfrastructure

6、.Whenthederailmentaccidentoccursinshieldtunnels,theviolentimpactbetweenthetrainandsegmentalliningwillleadtomanysignificantsafetyaccidents,suchasboltfailure,segmentdamageanddeformations,concretebreakingandspalling,whichmayeventuallydestroythestructuralstabilityoftunnellining,andevenleadtotheloc

7、alcollapseoroverallscrapofshieldtunnel.Therefore,inordertorevealthestructuralfailurecharacteristicsoftheshieldtunnelresultingfromtrainderailments,andprovideguidanceforthetargeteddesignoftheshieldtunnel,basedontheimpactdynamicsandtheconc

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