列车动载引起下穿隧道振动三维数值分析

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1、现代隧道技术*MODERNTUNNELLING列车动载引起下穿隧道振动三维数值分析TECHNOLOGY文章编号:1009-6582(2008)04-0023-05列车动载引起下穿隧道振动三维数值分析*龚伦郑余朝仇文革(西南交通大学土木工程学院,成都610031)摘要以上海轨道交通9号线R413标段的三孔并行盾构隧道下穿沪-杭铁路干线为背景,采用3D动力有限元对列车动载引起下穿隧道的振动影响进行了研究。结果表明:当对向行驶的两列车机车的后转向架轮载同时作用在B隧道正上方时,为隧道结构的最不利位置;在动载作用下,拱顶竖向压力随埋深呈多段非线性变化;下穿隧道拱顶竖向压力沿纵向

2、呈悬练线形分布,最大值出现在双线铁路的中线处,向两侧逐渐减小,影响约在铁路中线两侧各12m范围,结构产生了显著的纵向拉、压力;经对计算振动加速度和测试结果比较,两者规律基本一致。关键词列车动载下穿隧道三维动力有限元拱顶压力中图分类号:U451+.3文献标识码:A隧道下穿铁路是一种常见的隧道近接类型,国(均为直线段),上下行线线间距为20m,而东出入段内外针对列车动载对下穿结构的振动,以及隧道内线位于上、下行线中间,三线间隧道净距仅为3.8m。的列车振动问题已有一定程度的研究,并获得了许盾构隧道外径!6200mm,内径!5500mm,装[1~6]多成果。当隧道与铁路基本正

3、交时,隧道是一个配式衬砌管片通缝拼装;衬砌块宽度1200mm,厚狭长的圆筒,可以近似视为平面应变结构,然而列车350mm,衬砌管片混凝土设计强度为C55。荷载则不存在平面应变条件,因此严格来说,这是个南新环铁路为双线铁路(路基宽约13m),位于三维问题,但限于计算条件,以前大多只进行平面分隧道上方,与隧道基本正交(相交角约88°),横断面析,且未考虑列车移动的影响。文献[3]进行了交叠如图1所示。隧道的列车振动三维分析,但为隧道内的列车振动问题,且未考虑轮载的布载特点。本文以上海轨道交通9号线R413标段在浅埋条件下的三孔平行小净距盾构隧道穿越沪-杭铁路干线为工程背景,

4、进行了列车动载引起下穿隧道振动的三维数值分析及其规律研究。1工程概况上海市轨道交通9号线一期工程R413标段盾构隧道(九亭站—七宝站)位于上海市闵行区沪松公路沿线,线路呈西东走向。该区间上、下行线和东出图1三管并行盾构隧道横断面示意(单位:m)入段线盾构隧道在DK20+664处下穿南新环铁路。Fig.1Cross-sectionofthreeparallelshieldtunnels本段线路为上、下行线和东出入段线三线并行地段under-crossingarailway修改稿返回日期:2007-12-20基金项目:国家自然科学基金资助(项目批准号:50578135);高

5、校博士点基金资助(No.20050613020)作者简介:龚伦,男,博士研究生.第45卷第4期(总第321期)2008年8月出版23Vol.45,No.4,Total.No.321Aug.2008现代隧道技术MODERNTUNNELLING*列车动载引起下穿隧道振动三维数值分析TECHNOLOGY(2)列车荷载的确定2三维数值分析由于现场及模拟试验受条件制约,在此采用国2.1基本理论内外的经验数据进行荷载分析。列车在不平顺的轨道上行驶产生的竖向激振荷载,其大小用激振力函结构的运动方程可写为:[7][M]{δ″}+[C]{δ′}+[K]{δ}=[F](1)数来模拟。利用直

6、接积分的Newmark方法,参数满足下取单边静轮重,机车:P0i=110kN,车辆:P0i=1052式:kN,簧下质量统一取为M0=1200kNs/m,考虑时速2(2)v=80km/h的列车振动荷载,模拟出机车的激振荷δ≥0.5a≥0.25(δ+0.5)载时程如图2所示。采用瑞利(Rayleigh)阻尼,如下式:[C]e=α[M]e+β[K]e(3)式3就是工程实践中常用的瑞利比例阻尼,这时单元阻尼矩阵是质量矩阵和刚度矩阵的线性组合。式中α和β可由结构前两个较小的自振频率ω1、ω2和相应的振型阻尼比表示如下:22α=2ω1ω2(ω1ξ2-ω2ξ1)/(ω1-ω2)"(4

7、)22β=2(ω1ξ1-ω2ξ2)/(ω1-ω2)图2机车轮载的振动荷载的时程变化2.2列车振动荷载Fig.2Graphofvibrationloadingcausedbytrainwheel(1)列车动荷载的简化处理loadingvs.time动荷载是时间的单值函数,即P=P(t)。建立列车沿轨道纵向行驶的有限元计算模型时,真实的作2.3边界条件和轨道模拟用荷载应是沿轨道方向移动的轮载,它不仅是时间(1)边界条件t的函数,也是位置x的函数,即考虑到围岩介质的无限性,采用粘–弹性人工P=P1(x,t)(5)边界模拟无限域边界,不仅考虑对散