文摘

众所周知,隧道结构将失去其功能的长期反复作用下振动的效果。一个典型的例子是西安交叉隧道结构(CTS)的地铁2号线和Yongningmen隧道,隧道车辆荷载的振动响应和地铁列车荷载的结构,分析了盾构隧道应用三维(3 d)动态有限元模型。列车运行模拟的效果通过应用振动的时程曲线的跟踪由轮轴,使用车辆和列车振动荷载的拟合公式。的特点和传播规则地铁隧道结构的振动响应进行了研究视角的加速度,速度,位移和应力。发现车辆荷载仅影响地铁隧道在14米的中心,和减少影响逐渐从拱顶、拱肩,腰,弹起。高速列车的驾驶效果可分为近时期,不断上升的时期,稳定时期,下降时期,离开。压力在鹿腿画廊应该仔细考虑。研究结果提出了这个案例研究提供理论支持安全的地铁2号线结构的振动响应。

1。介绍

一般来说,初始损伤造成的盾构隧道施工穿越隧道附近的重复振动迅速促进隧道灾害。尤其是,最损害发生在后来的城市的建设规划。许多复杂的建设项目并没有被认为是在建设早期,从而影响现有隧道。例如,与下面通过遍历或斜交的近距离的平行传递和现有的隧道,隧道正在建设中先后出现,导致初始伤害隧道不可避免。初始损伤累积在操作过程中,最终导致结构阻力的减少和损失函数由于长期反复的振动效果。

因此,大量的研究一直在进行。建筑训练负荷的反应速度不同评估,然后与Balendra容许振动限制相比et al。1]。利用2 d和3 d模型,苏et al。2讨论和研究了平行隧道附近施工的相互影响。山口et al。3]描述的特征影响成功的推力隧道前隧道和地面的行为机制的解析表达式在构建紧密的隧道。Koziol和母马4]分析了坚实的理论响应快速移动的火车通过使用模型与真实情况:负载在隧道和负载移动表面的隧道。施等。5]研究了地铁隧道的沉降行为在地铁操作基于非线性振动模型的车辆跟踪。钟等。6)建造了一个测量系统基于CompactRIO系统和虚拟仪器平台测量ground-borne振动引起的地铁,而赖et al。7)建立了一个无线传感器网络(WSN)监控blast-induced振动对结构的影响现有的隧道。

然而,大多数上述研究集中在地铁列车振动荷载下的动力响应分析,而很少有研究进行了动态分析在公路隧道的车辆振动荷载。结合交互的研究上述两个条件几乎是不存在的。此外,不同的地质环境和车辆模型不允许研究结果直接应用到西安地铁。因此,基于Midas-GTS软件的数值模型,振动和机械支持的响应提出了规则和CTS西安Yongningmen隧道和地铁2号线盾构隧道。

2。研究了隧道的描述

Yongningmen,俗称南门,座落在中央门南部的明代城墙在西安。大门的建设始于隋朝(公元582年)初,西安最古老的大门。Yongningmen被列入世界文化遗产预备名单,以及在中国明清城墙。Yongningmen隧道,一个案例研究本文Yongningmen门口附近,所以必须评估这个隧道的振动响应。Yongningmen隧道工程从振兴之路开始,一直持续到前门当地电力有限公司,有限公司,陕西。全长867米,隧道净长度为236米,宽36.4米,深9.2米。Yongningmen隧道设计是双向的,六车道隧道;从东到西的路线运行,它在2014年6月建成通车。如图1在直角十字路口,Yongningmen隧道和地铁2号线的关系,2011年9月开始操作。Yongningmen隧道包括13个钢筋混凝土悬臂板,上面的类推和H8板位于盾构隧道Yongningmen-the钟楼的地铁2号线。板只是2 m盾构隧道拱顶,代表记录的最短的距离相关的建筑在中国。保证地铁的安全操作,灌浆被用来修改盖板之间的土壤性质和盾牌的外缘改善土壤密实度和抗裂性。操作期间的隧道,通过车辆引起的振动的传播不可避免地导致周边环境的长期干扰,特别是,地铁2号线,只有2米距离Yongningmen隧道。它将具有更重要的影响隧道结构与额外的运行列车引起的振动。

基于数学模型的振动响应进行了分析,模型应该是合理和适用的。该方法标定的有限元模型如图2采用。整个模型,包括粘性边界的参数,是校准和数据寄存器的数值模拟结果进行了比较,衡量独立作用下地铁列车(条件1)。然后,计算结果与现场试验条件下2进行比较,并提出了一些结论。

3所示。数值计算

本节根据典型的地质材料西安地铁2号线的均匀介质的土壤,土壤性质参数的加权平均值作为计算参数。土壤层次的属性如表所示1。

建立了三维模型,研究盾构隧道结构的动力响应特性。的距离模型边界和振动源之间应该大于介质的最大波长一半(8]: 在哪里和剪切波速和频率。模型边界和振动源之间的最小距离米,m / s的最大剪切波速度。因此,本文选取以下模型来满足解决方案的准确性。模型长48米在水平方向;地铁2号线是100。模型的底部边界是30 m以下的地面,以及模型的上表面自由的地面。更大的模型是不习惯,因为长时间计算。岩土工程概要文件的模型如图3。

考虑到对称模型,常规的六面体元素是通过扩大获得2 d模型3 d模型Midas-GTS软件。为了准确地捕捉波动效应,有限元素的大小应该小于1/6乘以最低波长对应于不同土壤层次(8]: 这些结果的最大元素长度不同土壤层次1.03米,1.11米,1.39米,1.28米,1.31米,分别。为了获得理想的元素大小、高峰值(正面和负面)的四个关键点条件下元素的大小米,米,m,比较图4。点一个,穹窿,点B,在拱肩,C点,鹿腿画廊,和D,弹起的隧道,被选为关键点。速度与元素的大小m和比的更密切m和这些寄存器来衡量。元素的长度米被推荐在这个模型中为了便于分析。

自由振动分析应该获得模型结构的固有动态特性进行对比分析。根据文献[8- - - - - -10雇用的,弹性边界自由振动分析和表面春天了。垂直的弹簧刚度系数计算 和水平弹簧刚度系数 在哪里,,,和计算模型区域在垂直方向和水平方向,分别和弹性系数的基础。

因为在截断边界的反射波将产生大的错误,粘性边界设置在Midas-GTS对比分析(8- - - - - -10]。纵波的阻尼常数可以通过计算 和横波的衰减常数可以通过计算 在哪里边界区域;是第一个蹩脚的常数,;剪切弹性模量,;材料的密度;弹性模量;泊松比。自由振动分析的边界参数和结果中描述表2和3,分别。

一般来说,瑞利阻尼作为动态阻尼系统的动态分析。阻尼矩阵质量和刚度矩阵(成正比11- - - - - -13),表达式如下: 在哪里,,的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵的系统,分别和他们结合质量矩阵,阻尼矩阵,所有单元的刚度矩阵。比例阻尼常数和和阻尼系数应满足以下关系: 在哪里阻尼比;固有频率;和是比例阻尼常数。根据文献[9,14,15),阻尼比是假定为常数的值在频率范围内(,)。系统的自由振动方程可以用来计算的固有频率和。然后, 使用的主要频率参与质量rad / s,rad / s,阻尼比和基于(9),然后确定为瑞利阻尼的价值

4所示。动态负载

4.1。车辆荷载

移动载荷的动态响应作用于基础很明显只有当它接近的波速基础表面或内部的波速模式的基础。然而,高速公路的波速度结构表面和内部模式远远高于车辆的速度。因此,车辆速度的影响在高速公路结构的动态响应可以忽略的情况下完全平衡了人行道上。事实上,高速公路路面可能不是完全水平,路面的均匀度和服务时间的增加变得越来越糟。车辆在崎岖不平的路面上运行时,产生振动,从而创建额外的动载荷超出了静载荷,即关键区别公路结构的静态和动态应力。

为方便在隧道结构动态分析,假设在振动车辆仍在路上,负载振动公式的轮子16,17)的道路 在哪里轮胎刚度,簧下垂直位移,是路面粗糙度的振幅,路面激励频率,运行速度和是波长的凹凸不平的路面。

它可以观察到从公式(11),当汽车旅行的人行道上,车轮路面变化的动态负载时间和均匀度。车辆荷载的励磁曲线在第一4 s如图5。

4.2。列车荷载

火车负载提出了一个复杂的问题由于涉及的因素,如火车车轴载荷,悬架系统,运行速度,轨道结构,和跟踪规律18- - - - - -21]。地铁列车荷载是指移动线路负荷包括随机元素和常量元素。影响列车振动荷载的主要因素是轮轨相互作用和动态效果。不规则的轨道及轮轨接触表面,偏心轮的重量,导致一个随机振动荷载的卧铺。然而,非簧载质量和车轮之间的空间和铁路运行速度是不变的。因此,可以通过模拟列车荷载激发函数(22- - - - - -25),静态负载,不规则,附加动载荷,轨面波,和其他随机元素不同频率下的列车将会考虑,通过以下表达式: 在哪里轮的静态负载,,,指振动荷载,对应于典型值的控制情况在表4。与代表非簧载质量,相应的振幅振动荷载 在哪里是典型的向量高度,对应3例①,②,③表4;是不规则的圆频率下的振动波长对应的车辆速度,进而对应相关的例①,②,③表4,以下计算: 在哪里火车的运行速度和吗是典型的波长对应3例①,②,③表4。

西安地铁2号线的列车是b型,地铁列车编组,包括三个驱动列车和三个无动力的列车(26- - - - - -29日]。单方面的静态轮载荷是70 kN,非簧载质量是750公斤。相对应的向量高度不规则的振动波长和3例①,②,③如下:米,mm;米,mm;米,分别为毫米。图6描述了振动荷载与时间曲线在跑道上路基前10。

最常见的物理量测量影响建筑物的振动速度。它可以直接反映建筑物的破坏强度和能源结构振动响应的大小,直接关系到这些建筑的破坏,因此起着至关重要的作用在建筑物的振动30.,31日]。下地铁的独立行动,通过数值模型计算结果与实际速度测量校准模型(表进行实地测试5)。可以看出,真正的和峰值计算值(正面和负面)非常相似,不同的研究立场。因此,可以得出结论:数值模型能够代表的动态行为研究隧道。

5。计算结果分析

更好地研究的振动响应Yongningmen地铁隧道操作线,两个条件独立行动的地铁列车(条件1)和汽车和火车的联合行动(条件2)进行了分析,和响应规则是通过比较这两个条件。条件下,地铁列车进入模拟部分的运行速度在0 60公里/小时,12 s所需火车完全退出仿真部分。使数据更全面、0施s采用的数据进行分析。研究状况的基础上,1,条件2采用部分由振动引起的最危险的时刻,使车辆通过部分获取数据加载在危险的条件。因此,车辆荷载输入仿真部分在4.7秒和完全退出仿真部分在4.7秒的运行速度50公里/小时。每2米的横截面从以自我为中心的位置向一个方向采用对称结构,占总计15横截面选择,如图7。隧道的振动响应时间历史的分析获得的加速度,速度,位移和•冯•米塞斯应力。

5.1。振动响应分析

每个截面的最大和最小值A, B, C和D所示数据8- - - - - -11。在图8(一个),的最大加速度值增加从1 # 4 #横截面截面,然后逐渐减少,基本上趋于稳定,而相反的最小值。在1 #和7 #横截面,区别同一截面的两个工作条件下明显。7 #截面后,两条曲线基本重合,没有任何区别,表明车辆荷载的影响达到7 #截面,14 m远离中心。它提供的车辆荷载的影响范围,这有利于的减震设计类似的工程。的趋势变化曲线(图8 (b)极端的速度与加速度的部分位置是一样的,但是在两个条件下,最大速度曲线基本上互相重叠,和差异不显著;虽然最低速度曲线不互相重叠,所不同的是小,这表明车辆荷载效应产生更少的影响速度与加速度。在图8 (c),各个部分共享相同的最大和最小位移值,所以曲线趋势是温和的。此外,极端值两个条件下的位移是相似的,机动车辆荷载效应和最大和最小位移值保持不变。

它可以看到从加速度图数据8- - - - - -11的向下移动的位置提取点的曲线显示了一定的波动,依赖于实际的工程结构。两个条件之间的差异也能减少患抽取点的位置向下移动,随着速度曲线,这意味着下降的影响从A到B, C和D的机动车辆负载。因此在设计和施工阶段,我们应该考虑到库,采用阻尼的振动响应措施。基于速度的数据,可以看出各个部分在两个条件下几乎相同的最大速度,施加加速度极值的影响最大,其次是极端值的速度,也没有影响极值位移。因此,在振动响应分析的过程中,不合理的使用速度作为一个个体标准,并应考虑加速度的影响。此外,根据不同的数据,可以发现,曲线的最大值都出现在部分4 #、5 #,和极值点是最小,而极值点D是最大的。因此,时程曲线在点D两部分条件下2是选择进行分析(见图12)。

5.2。时程响应分析

图12时程曲线表明,有五个时期,不同时期对应于火车的运行位置(图13);假设火车的长度并研究与原始点的位置和运行方向的火车正方向,进行以下分析。

(1)关闭。期限内当火车开到仿真部分和运行了2 s,机车的位置对应的研究点。在此期间,加速度的数值趋于0,较小的变异。尽管一些变化中存在速度曲线,其数值很小;位移值附近变化值0,但总体趋势的增加逐渐向负方向。

(2)上升的时期。当火车运行2到4年代,机车的位置对应的研究点。加速度的波动幅度上升迅速从2 s,在3 s达到最大值,然后逐渐减少从3到4年代。速度曲线的波动幅度大幅增加,但总体价值往往向负方向;位移值大幅增加在此期间,与加速度和速度达到最大值,即−99.30毫米/秒²(第五节#)和−0.71 mm / s(第四节#),分别。这是低于标准的价值结构安全振动控制,从而维持一个安全状态。

(3)稳定的时期。当火车运行4 - 7年代,机车的位置对应的研究点。在此期间,加速度和速度曲线与连续波动形成一个相对稳定的状态;然而,位移达到最大这一时期和附近有一定的波动最大。在此期间,位移值达到最大值,即−0.40毫米。这是低于标准的价值结构安全振动控制,从而维持一个安全状态。

(4)下降的时期。当火车运行了7到9年代,机车的位置对应的研究点。类似于第二个时期,加速度和速度的波动幅度大幅上涨7 s,和附近的峰值加速度出现8年代,尽管它小于峰值在第二时期由于机动车负载。速度的整体价值往往向积极的方向发展;位移值在此期间大大减少,往往是0。

(5)离开。9世纪后,机车的位置对应的研究点随着时间的流逝,振幅变化的加速度,速度,位移逐渐减少,值为0。

根据上述分析,在上升时期,稳定的时期,和下降时期,原点将振动响应的存在。和加速度和速度应该用作振动的评价标准在时期上升和下降时期,而稳定的位移作为标准。

5.3。力学响应分析

图14是两种情况下的衬砌•冯•米塞斯应力。比较后发现附近的隧道衬砌的压力Yongningmen隧道改善是由于机动车负载。然而,内壁的最大应力值从197.56增加到204.77 kPa kPa,用小幅度上升和内壁保持在安全范围内。4 #和5 #等典型的部分选择在两个条件下进行分析。因为左右对称,50%的数据被选中画·冯·米塞斯应力包络曲线,如图15。从图可以看出,不同位置的应力值条件下2已经显著提高条件下1相比,但在不同位置的相对大小仍然保持不变,逐渐增加1点到6点和减少点7。这个结果意味着点6变成了最危险的和脆弱的位置,应该集中和严格控制的压力。

5.4。的数值模拟

验证模型,计算结果与现场测试条件下2当火车速度60公里/小时(表6)。根据以上分析,4分(A, B, C, D)是关键,因此监控(图16)。它可以观察到峰值的差值(正面和负面)测量和计算速度之间并不重要。此外,这些最大值和极限同时发生的时程曲线,显示重叠的一个真正的速度注册并获得的数值模型。4分的速度与现场数据一致,表明本文模型可以定量地反映结构的实际振动响应。

6。结束语

隧道机械荷载引起的振动响应和地铁列车荷载的结构分析了盾构隧道应用三维动态有限元模型。通过上面的案例分析和结果,我们可以得到以下的结论和观点。(1)数值模拟结果验证了数据寄存器以实地测试。结果表明,该建模过程与实际情况是一致的,可以用来预测类似的地下结构的振动响应。(2)机动车辆负载只会影响地铁隧道在14米的中心,和减少影响逐步从拱顶、拱肩,腰,弹起。在工程设计过程中,要注意时间段内的振动响应范围和应该由必要时采取一些阻尼措施。(3)运行列车振动响应有五个时期,即关闭期间,不断上升的时期,稳定时期,下降时间,离开时间。机车的位置对应于在这些时期的研究点,,,,,分别。原始点振动响应的存在只会在中间的三个阶段,这有利于研究时间和空间的选择范围,并提供一个理论依据不同时期的评估标准的发展。(4)由于车辆荷载,Yongningmen隧道附近的地铁隧道衬砌的压力已经大大增加从拱顶到鹿腿画廊和减少略有提高起拱。因此,应力值在鹿腿画廊应该仔细考虑。(5)越来越多的隧道和地铁系统在世界各地,特别是中国的西北,如兰州、西安、太原、会有很多交叉隧道结构。振动响应不容忽视,因为火车的振动会严重影响到现有的工程结构,尤其是古代建筑。此外,由于在该地区类似,形成黄土有广泛分布,本文的结论将为进一步研究有一定的参考价值和实际应用在中国的西北部。(6)许多研究利用动态有限元法解决振动问题,野外观测数据集,和数值模拟结果进行了比较,但是我们只集中在加速度,速度,位移。我们可以增强应激反应的研究成果,然后研究振动峰值速度和压力之间的关系,使一个完整的系统来评估结构振动的影响。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是财务支持的集成创新陕西省科学技术厅项目(批准号2015 ktzdgy01-05-02),头脑风暴项目社会发展陕西省科学技术厅(批准号2016年科幻- 412),基础科学研究专项基金的中央大学长安大学(没有。310821165011),关键工业研究陕西省科学技术厅项目(批准号2015 gy185)。