文摘

本研究提出了一种单轴循环加载条件下改善了混凝土的本构模型,考虑了疲劳刚度退化,疲劳强度退化和疲劳残余应变增量的混凝土疲劳损伤。根据本构模型,隧道的动力响应和累积损伤交叉结构在各种列车运行年进行了分析。结果表明,振动的主要隧道是最暴力。与列车运行时间的增加,中间的横向加速度通道,两边墙上角落和拱顶显著增加,和最大主应力显著增加,只有在双方墙的角落。抗压破坏主要分布在墙角落里,双方虽然拉伸损伤分布在双方的内壁。十字架的累计损伤结构展示两级配置文件。累计的大小和范围的拉伸破坏连接横向通道大于累计压缩损伤。

1。介绍

长时间和大隧道,一定数量的连接横向通道通常设置为满足操作需要通风,事故疏散,火灾救援和其他功能。使用这些通道交叉隧道结构形式。这种结构很复杂,导致整个结构力量分布不均匀。的应力集中最常出现在十字路口由于列车振动荷载1- - - - - -4]。此外,在隧道的使用寿命,交叉隧道结构承受振动载荷引起的火车很长一段时间。混凝土材料不断恶化,结构损坏和破裂,最终导致结构损伤和对运行安全构成严重威胁的结构5- - - - - -10]。因此,它是非常重要的研究的动态响应和疲劳累积损伤规律的特殊结构,在长期的训练导致负载下交叉隧道长和大的安全隧道。

隧道衬砌结构材料的属性,隧道衬砌结构主要是由钢筋混凝土在中国(11- - - - - -15]。循环荷载下混凝土结构的疲劳会导致伤害和混凝土衬砌的开裂。目前,混凝土结构的疲劳性能主要是使用室内疲劳试验研究。Aas-Jakobsen [16)提出了一个通用的公式对数寿命和循环应力;Tepfer和Kutti17)确定基本参数的一般公式的疲劳试验;小岛(18)研究抗压疲劳载荷下的疲劳性能的混凝土圆柱标本;黄等。19]研究了主裂纹的传播规律与预应力碳纤维布加固的钢筋混凝土梁板疲劳载荷下;曹et al。20.]研究了分形特征的发展破坏混凝土结构基于物理模型实验和发现损伤的混凝土结构的表面裂缝分布。

疲劳试验可以准确地描述材料的疲劳性能,但测试是非常耗时的,很难进行全面测试。研究人员开始使用数值方法研究复杂结构的疲劳损伤。腾和王21)提出了一个二维的钢筋混凝土结构的损伤本构模型;Petryna和Kratzig22)提出了一种计算方法,钢筋混凝土结构的长期绩效评估考虑累积损伤;张和史(23)使用有限元方法来研究界面剥离应力及其影响因素对钢筋和混凝土在疲劳载荷;js。朱镕基和X.-C。朱(24)提出了一个简化的疲劳破坏过程的数值模拟方法在操作负载下的钢筋混凝土桥梁结构;王(25)建立了一个随机损伤本构模型基于亥姆霍兹自由能修改弹性张力和压缩条件下;王(26)提出了一个等效静态分析方法,混凝土的疲劳累积损伤过程组件。

列车引起的振动的影响研究进行了地下隧道列车振动的动态响应特性。Gharehdash和Barzegar27)使用一个复杂的3 d动态弹塑性有限差分模型,充分考虑关节研究盾构隧道的动力响应埋在振动荷载下软土;古普塔et al。28)提出了实验验证数值模型的预测地铁引起的振动;古普塔et al。29日)使用耦合周期element-boundary有限元素模型来研究西北高速列车的振动响应Groene哈特隧道中高速列车;林(30.]研究了隧道在不同条件下的动态响应,如列车振动荷载的分段装配。

然而,大多数现有的方法在理论上是复杂的,不能模拟高循环荷载作用下混凝土结构的疲劳损伤行为。大多数的研究只关注混凝土梁的疲劳分析,针对隧道的动力响应下火车引起振动载荷。缺乏研究的动态响应高循环荷载作用下隧道结构的疲劳损伤分析和缺乏交叉隧道结构,由主隧道与横通道。

改进的混凝土单轴循环加载本构模型提出了基于最新的混凝土单轴单调加载本构模型给出的“混凝土结构设计规范》中(gb50010 - 2010) [31日一起),j·s·朱提出的混凝土疲劳本构关系和x c·朱24]。这个模型能够更准确地模拟常用的混凝土的力学行为。公式计算混凝土疲劳刚度变量,疲劳剩余强度变量,和疲劳残余应变变量是包含在循环加载本构模型。根据实际情况Guangzhou-Shenzhen-Hongkong Shiziyang隧道工程的铁路客运专线,建立数值分析模型,以及隧道的动力响应和累积损伤特征交叉结构在列车振动荷载下进行了分析。

2。本构模型的混凝土单轴单调加载

混凝土在单调压缩的应力-应变曲线是根据测试数据拟合获得“混凝土结构设计代码”(gb50010 - 2010),如下31日]: 在哪里 在哪里混凝土应变;是无损混凝土的弹性模量;是混凝土的压应力;压应力峰值;是峰值压应变峰值应力对应,可以作为吗 。

混凝土是单调拉伸时,应力-应变曲线如下(32]: 在哪里 在哪里混凝土拉应力;是拉应力峰值;是相对应的峰值拉伸应变峰值拉伸应力,可以作为吗 。

3所示。单轴循环加载条件下的混凝土本构模型

相关研究(33)表明,循环荷载下混凝土结构的疲劳损伤主要表现在三个方面:刚度降低,强度退化和残余应变增长。因此,根据上述规范的混凝土单轴本构模型和混凝土疲劳本构关系提出的j·s·朱和x c·朱24),混凝土在单轴压缩下的疲劳本构模型可以提出:也就是说,应力-应变曲线如下: 混凝土的残余应变在哪里 后 *疲劳载荷,峰值压应变 ,和弹性模量后次疲劳加载被认为,有关修改后的本构模型的参数如下:

考虑压应力峰值的影响后次疲劳载荷,可以获得峰值压应变次疲劳加载:

同样的,当混凝土受到拉伸载荷,可以提出如下公式: 混凝土的残余应变在哪里 、峰值拉伸应变 ,和弹性模量被认为是,参数修改如下: 在哪里是结构混凝土拉应力峰值后加载次疲劳载荷,加载后的拉伸应变峰值*疲劳载荷。

3.1。混凝土疲劳刚度相关变量

根据相关的疲劳试验,小岛18)提出了退化为混凝土弹性模量公式: 在哪里混凝土疲劳寿命。

3.2。混凝土疲劳剩余强度变量和

剩余混凝土疲劳强度与疲劳载荷的循环次数和负载的最大和最小压力21]。

研究[32)表明,最大总应变,当混凝土在抗拉和抗压疲劳负载下坏了相当于相对应的应变疲劳载荷的最大应力在单调加载软化部分,如图1,点B单轴静态荷载作用下混凝土的应力-应变曲线和疲劳过程。假定混凝土疲劳剩余强度包络线(34)是由软化段单调加载的形状混凝土的应力-应变曲线。因此,混凝土剩余强度包络线可以通过软化部分单调加载的混凝土的应力-应变曲线。

根据软化部分单调混凝土的应力-应变关系曲线的形状,剩余疲劳强度包络线方程的具体可以获得如下:[24] 在哪里疲劳加载时间的功能吗 :这是(24), 混凝土的拉伸残余强度包络线所示由以下方程(24]:

考虑到混凝土剩余强度和失效准则的初始条件,边界条件考虑了混凝土抗压和抗拉疲劳剩余包络方程。混凝土抗压和抗拉的依赖变量A和B。用这些变量公式(11)和(13),可以得到混凝土的疲劳剩余强度。

3.3。混凝土的残余应变疲劳

小岛得到混凝土的疲劳残余应变的公式曲线拟合实验数据,不考虑应力比。公式如下:(19]: 在哪里1时间后结构的残余应变疲劳载荷; , 的最大应力和最小应力结构当疲劳载荷达到上限或下限压力,分别。是纵向的总应变时混凝土的残余应变进入最后阶段。实验结果表明,它是接近混凝土单轴应力-应变曲线的峰值应变(33]。王等人。35)获得疲劳残余应变与材料常数公式通过疲劳试验数据拟合分析,如下:

4所示。生活混凝土结构的分析方法

生活估计是基于FE-SAFE疲劳分析软件。首先,采用有限元分析计算获得交叉结构的动态响应过程中隧道的列车运行。其次,混凝土协同曲线(即。,S-N curve) of concrete was determined by formulas (16)和(17)。基于FE-SAFE名义应力的预测方法,交叉结构的动态响应和n曲线进行了分析,以便可以获得结构的疲劳寿命。

拟合公式对混凝土的抗拉疲劳寿命和疲劳载荷曲线(17)是通过混凝土的单轴压缩试验,提出tepfer Kutti: 在哪里混凝土的材料常数,值范围是0.064 ~ 0.080,邓和王21)建议平均为0.072; , 最大压应力值和循环荷载的最小压应力值,分别。混凝土的抗压强度。

混凝土的抗拉疲劳寿命和疲劳载荷曲线得到的拟合公式基于具体的分裂疲劳试验(17]: 在哪里和是最大拉应力和最小拉伸应力的循环荷载,分别;混凝土的抗拉强度。

5。损伤分析理论

塑性流动、微裂隙和微孔混凝土的非线性的根本原因。从宏观性能,它显示了明显的不同混凝土抗拉强度和抗压强度和混凝土的残余变形36]。混凝土塑性损伤本构模型采用基于连续介质(CDP模型),以更好地模拟混凝土承受外载荷的非线性性质(37]。

根据能量等效原理提出Sidoroff [38),结构损伤的因素如下: 在哪里时的弹性模量是混凝土破坏。

根据混凝土的塑性损伤理论,当混凝土强度,断裂应变(37] 在哪里混凝土的拉应力。

当混凝土抗压,非弹性变形(37] 在哪里混凝土的拉应力。

6。动态疲劳损伤分析进展和隧道结构的模型

隧道的复杂交叉结构的设计寿命100年遭受高周疲劳问题下的列车振动荷载引起的。它是不经济的计算列车在隧道的动态影响。Petryna和Kratzig提出高周期结构疲劳的概念(32,39]。列车运行的动态响应的横振动荷载作用下隧道结构第一次可以模拟。然后,基于结构的响应规律的振动载荷下火车第一次交叉结构的疲劳寿命可以计算得到混凝土单轴循环加载后交叉隧道的本构模型列车振动荷载。最后,基于混凝土本构模型列车运行的时候,隧道的动力响应和疲劳累积损伤交叉结构的具体操作年后可以模拟。具体分析过程如图2。

7所示。项目概述

Guangzhou-Shenzhen-Hong香港铁路客运专线是一个快速铁路通道连接广州、深圳和香港,这是一个重要的部分在珠江三角洲城际铁路网络。Shiziyang水下隧道的全长是10.8公里,是中国最长的和最高标准的水下铁路隧道。Guangzhou-Shenzhen-Hong香港客运专线Shiziyang隧道位于Dongyong站,虎门站间隔。隧道贯穿的地面层主要是土壤、淤泥质土、粉质粘土和细砂,粗砂、风化和弱风化泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩。平面图和Shiziyang水下隧道的垂直截面数据所示3和4。

根据项目的实际情况,连接横向通道交叉Shiziyang铁路盾构隧道结构选择和研究。交叉结构的动态响应模拟当编组列车运行在一个隧道。假设火车运行在主隧道的明确两隧道之间的距离是5.0米,设计速度为300公里/小时。所选部分的隧道的埋深19.0米,位于弱风化泥质粉砂岩,表土层覆盖着轻粉质粘土层,和细砂层。盾构隧道的内部和外部直径是10.8米和9.8米。衬里是聚集在一个7 + 1块与一个普遍的楔环钢筋混凝土单段。为了考虑段结构的影响,刚度降低环设置在主隧道间距、换算系数是0.8。连接横向通道的宽度和高度是4.0米和5.0米,分别。长度、宽度和高度的地层结构模型是800.0米,80.0米,50.0米,分别。除了所有的边界上边界模拟使用连续分布并行弹簧阻尼系统。 This boundary treatment can effectively solve the near field fluctuation problem at soil-structure dynamic interaction.

编组列车不考虑车厢之间的连接。火车包含8节车厢单一的运输长度为25.0米。每个车厢前后有两个部分对轴,共有32条轴。围岩的物理力学参数,衬砌混凝土,并跟踪表所示1。交叉隧道的数值分析模型如图所示5。

铁路的不平顺是车辆和轨道的基本振动源(40]。假设高速列车在隧道中运行40次/天,火车的振动载荷测量负载曲线被选中的列车振动在300 km / h,如图6。

为了模拟空间位置的变化和振动加载时间在隧道的上部,高速列车运行时,旅行300公里/小时的速度应用于编组列车,列车模拟驾驶的空间效应,如图7。

轨道和列车使用线弹性材料模拟,模拟围岩的弹塑性模型和阻尼,和使用瑞利阻尼振动系统阻尼。根据上面的分析过程和交叉隧道结构的动力响应分析模型在列车振动下,列车振动响应和疲劳累积损伤分析盾构隧道进行了交叉结构。

8。结果分析

首先,隧道交叉结构的疲劳寿命下火车的振动载荷进行了分析。隧道交叉结构的应力时程计算列车运行期间获得的隧道首次被引入FE-SAFE软件。十字架的生命对数分布云图隧道结构计算如图8。

从图8生活,短的部分交叉结构主要集中在主要隧道附近的中间库和连接横向通道两边的墙角落里。交叉结构的最小对数寿命是6.491。结构的最低生活约为3.10×10⁶次了。

8.1。动态响应和累积损伤的主要通道

8.1.1。结构加速度

基于响应法律和列车振动荷载作用下结构的疲劳寿命第一次结构的疲劳本构模型可以获得。然后,十字架的动态响应和累积损伤效应的隧道结构操作一段时间后可以计算。

四个位置的隧道拱底被选为分析点,和分析点布局如图9。分析点位于拱底的隧道。点之间的纵向间距是20米。

主隧道分析点的加速度振幅A1, A2, A3,提取和B,在高速列车在隧道1,1×10³1×10⁴1×10⁵、2×10⁵5×10⁵1×10⁶,1.5×10⁶次,如表所示2。

从表2隧道的振动加速度振幅分析点有一定程度的提高增加了列车运行时间。加速度幅值的主要隧道的火车操作显然比相邻隧道b .隧道的最大增长幅度为0.21 m / s²。

8.1.2。的最大主应力结构

最大主应力时程曲线点A2的主要通道如图10,当火车运行在盾构隧道首次。

图10显示,当火车运行在主隧道第一次火车越接近的分析,更强烈的振动。在3.7秒,振动拱底部A2是最暴力,和最大主应力达到0.94 MPa。

的最大主应力曲线分析点如图11。

从图11、隧道的最大主应力峰值分析点与增加列车运行时间增加。隧道设计期间,最大主应力分析点提出了一种两阶段变化特征:在第一阶段,从0到13.70岁,最大主应力振幅的分析点A1, A2, A3迅速增加。在第二个阶段,从13.70到102.74年,增长率的分析主要隧道拱底是相对缓慢的,接近线性发展。B点的最大主应力分析在隧道运营期间基本上是线性的趋势,也就是只有17.4%的A2。结果表明,相邻隧道B属于被动振动;因此,火车的振动载荷主要有小影响相邻隧道B。

图12显示的最大主应力的发展趋势主要隧道段。从图可以看出10最大主应力的主要隧道拱底是最大的,和正确的分析点附近的横通道是第二个,和左边的分析点远离横向通道是最小的。

8.1.3。结构累积损伤

累积的分布云图交叉结构的拉伸损伤后隧道操作如图102.74年13。

图13显示累计拉伸破坏主要集中在转化的主要隧道A的大小和范围中间的拉伸损伤累积价值转化的主要隧道明显高于其他位置。此外,累计从附近的拱下拉伸损伤发展的侧壁连接横向通道中间的主隧道,由于连接横向通道的存在。

拉伸破坏的发展趋势的分析指出C1, C2, C3如图14进一步分析了累积损伤主要隧道结构的发展。

图14显示累计拉伸破坏的主要隧道段列车运行时间的增长而增加。累积强度破坏点C3的拱底是最大的。正确分析的累积强度破坏点C2明显比左边的分析点C1 102.27年高速列车运行时,因为正确的分析点C2与横向通道,导致结构应力集中。

8.2。连接横向通道结构的动态响应和累积损伤

8.2.1中。结构加速度

从上面可以看出,连接位置是弱结构由于刚度奇点的一部分主要隧道和横向通道连接。因此,横向连接通道的接口和主隧道作为分析部分,和的最大加速度包络提取的加速度时程范围是通过接口的典型时间点(火车第一次手术,操作为0.07、70.68,49岁和102.44岁),如图15。

图15首次表明,列车运行的隧道,连接横向加速度的通道主要集中在中间的横通道地板,和加速度最大值为4.26 m / s²。加速度最小值约为0.76 m / s²库的连接横向通道。操作时间的增加,加速地板的中间连接横向通道,两边的墙角落,显著增加。

8.2.2。最大主应力的结构

的最大主应力值的分析点左边的墙角落横向通道提取,当火车第一次运行,如图14。

图16显示,左边的墙角落的振动横向通道时更强烈的火车距离连接横向通道变得更紧密。列车运行时分析点A2, 3.7年代,分析点的振动是最强烈的,和最大主应力达到1.06 MPa。结果表明,振动响应的左边的墙角落横向通道比这更强烈拱底的主要隧道,由于奇点主隧道和连接横向刚度。

最大主应力的最大信封时程范围内首次列车运行时通过提取最大主应力在典型时间点界面,如图17。

图17显示连接的主应力横向通道主要是集中在侧墙角落附近。最大主应力在右边墙角落达到1.06 MPa。随着运行时间的增加,最大主应力最大值沿侧墙向上拱座的好处及其范围逐渐增加。

8.2.3。累积损伤的结构

累积的抗压和抗拉破坏连接横向通道提取连接横向通道,进一步分析损伤情况如图18和19。

数据18和19显示连接横向通道的累积损伤主要分布在两边侧墙角落里。随着运行时间的增加,损伤发展向侧墙和地板;为102.74年,特别是在隧道运营损失尤为明显。此外,损伤侧墙角落的大小和范围大于右边的墙角落里。的累积抗压破坏连接横向通道主要分布在外墙角落位置,而累积拉伸损伤主要分布在内壁的角落。拉伸损伤结构的规模和范围都要比其他的压缩破坏。结果表明,拉伸破坏的主要因素是横向通道结构的损伤。

考虑到连接横向通道主要受拉伸破坏,累积最大损伤值横向通道的不同提取操作时间和最大发展曲线如图20.。

图20.表明,在第一阶段0 ~ 6.85年,列车运行的横向连接损伤的通道快速发展的持续时间6.8年。在第二阶段的6.85 ~ 68.49年,累积损伤发展是相对温和的和接近线性发展,可用于预测结构破坏发展。在第三阶段,68.49 ~ 102.74年,累积损伤发展非常激烈。它显示了非线性发展趋势,持续时间为68.5年。得出初始裂纹在材料的内部缺陷引起的混凝土本身的开发由于火车的往复振动载荷。第一阶段的纵向发展更快的火车操作。在第二阶段,因为混凝土受到其他聚合,微裂隙的数量并没有明显增加。但现有的裂缝继续扩展,材料强度不断降低,接近线性积累和损害。在第三阶段,混凝土的微裂隙相互连接和扩展,和他们继续损害骨料和砂浆之间的债券,和裂缝迅速扩大。

9。结论

考虑到高速列车驾驶的影响,隧道交叉结构的振动疲劳寿命计算使用疲劳分析软件。交叉隧道的动力响应和累积损伤特点Shiziyang铁路盾构隧道结构在不同操作年分析,满足要求的设计寿命100年的根据中国标准。得到了以下主要结论:

(1)根据最新的混凝土设计规范,提出了混凝土的单轴循环加载本构模型,考虑刚度退化的因素,如混凝土,混凝土的强度降低,疲劳残余应变的增加。该模型适用于高周期振动疲劳分析的训练,而且可以反映当前常用的混凝土力学性能。

(2)高速列车运行交叉隧道结构的中部地区主要隧道火车的速度是最暴力。拱底部中间的动态响应的主要隧道横向通道对面是最大的。隧道拱腰的振动响应的主要横向通道附近比相反的主隧道拱腰。

(3)之间的刚度奇点连接横向通道和主隧道引起大界面应力集中现象,应力和加速度相对较大的界面。的最大主应力横向通道主要出现在侧墙角落附近,而最大加速度主要出现在横通道中间的地板上。

(4)的最大主应力和加速度连接横向通道增加随着列车运行多年。加速度显著增加中间的横通道,两边侧墙角落和库,而开发的最大主应力显然只有在双方侧墙的角落。

(5)连接横向通道的累积伤害是主要分布在两边侧墙角落里。增加操作多年,累积损伤发展的侧墙和地板连接横向通道。左边墙的损伤值和范围角落都比相应的右边墙的位置。

(6)连接横向通道的累积抗压破坏是主要分布在外墙角落的位置,而累积拉伸破坏主要分布在内部墙角落里,这是接近线性发展。结构的拉伸破坏的规模和范围是大于抗压破坏的。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

金融支持这项工作由中国国家重点研发项目(批准号中国2016 yfc0802205)和美国国家科学基金会(授予号。51178400,51278425,和U1361210)。