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原文传递重载铁路隧道基底结构动力响应特征及服役状态评价体系研究

论文题名：	重载铁路隧道基底结构动力响应特征及服役状态评价体系研究
关键词：	重载铁路隧道;基底结构;受力性;动力响应;服役状态;评价体系
摘要：	我国重载铁路隧道基底病害问题十分突出，已严重影响线路行车安全。目前对于大轴重列车荷载作用下的重载铁路隧道基底结构受力状态和动力响应缺乏足够的认识，针对普通铁路隧道服役状态的评价方法也难以适用于基底病害高发的重载铁路隧道。因此，明确列车荷载作用下重载铁路隧道基底结构的受力性以及动力响应特征，建立重载铁路隧道基底结构服役状态评价体系，合理评价重载铁路隧道基底结构运营状态，对我国重载铁路隧道的建设、运营和维护具有重要意义。　　论文首先通过现场调查统计分析了重载铁路隧道基底病害类型和状况;接着通过现场测试方法研究了列车荷载作用下重载铁路隧道基底结构动应力横向分布规律和竖向传递规律，分析了重载铁路隧道基底结构动应力和振动加速度与轴重、列车运行速度等因素的内在联系;基于热力学基本原理，构建了混凝土材料弹塑性损伤本构模型，并在FLAC3D中实现和验证了该模型;采用混凝土弹塑性损伤本构模型进行了列车荷载作用下重载铁路隧道基底结构动力响应和损伤分布的数值模拟，对不同基底结构设计参数下仰拱底部荷载传递率进行了回归分析，对不同基底状况下的隧道基底结构损伤分布进行了研究;基于模糊数学方法，建立了重载铁路隧道基底结构服役状态评价方法，结合工程实例说明了该方法的实现过程。主要研究成果如下: 　　(1)系统分析了某重载铁路隧道病害检测数据。检测结果显示:1）重车线侧病害发生率高于线间和空车线侧;2）基底结构混凝土破损病害最为常见，基底不密实病害次之，基底下沉病害也时有发生;3）围岩级别越差，基底混凝土厚度不足和基底不密实的情况越严重。　　(2)掌握了重载隧道基底结构动力响应特征和振动特性。其中包括:1）动应力沿基底结构的横向分布规律。垂向动应力和水平向动应力沿基底结构横向均表现出“重车线下方最大、隧道中心下方次之、空车线下方最小”的分布规律。2）动应力沿基底结构的竖向分布规律。垂向动应力沿基底结构竖向衰减明显，30t轴重下垂向动应力传至仰拱底部后衰减至20kPa以下，远小于列车荷载作用前仰拱的初始应力;水平向动应力沿基底结构由上至下出现由压到拉的转变。3）动应力与列车轴重大致成线性关系，列车行驶速度对动应力影响较小。4）振动加速度与列车运行速度大致成线性关系，轨道结构型式和列车轴重对振动加速度影响不大。　　(3)构建了基于热力学基本原理的混凝土弹塑性损伤本构模型。推导了本构模型的三维计算格式，采用C++编写程序在有限差分程序FLAC3D中实现了该本构模型，模拟室内试验验证了本构模型的有效性和模型程序的正确性。　　(4)采用混凝土弹塑性本构模型对列车荷载作用下重载铁路隧道基底结构动应力响应进行了数值分析。其中包括:1）回归分析了不同基底结构设计参数下仰拱底部垂向动应力传递率，得到了仰拱底部垂向动应力传递率与围岩级别、仰拱厚度以及仰拱矢跨比之间的经验关系式。2）当隧道实际施工状态和隧道设计时的理想状态一致时，基底结构均能满足运营要求，无损伤出现;而当隧底基岩软化、基底吊空或基底结构破损达到一定程度后，基底结构会出现损伤，服役状态恶化，损伤多出现在重车线正下方、重车线侧仰拱与边墙连接处以及水沟附近。　　(5)建立了重载铁路隧道基底结构服役状态评价体系。遵循科学性、完备性等原则，把重载铁路隧道基底结构服役状态评价系统划分为包括目标层、准则层和指标层在内的二级模糊综合评价模型，依据相关规范、现场检测和监测资料及数值计算结果确定评价指标分级判定标准，采用可拓层次分析法确定指标层各因素的权重，采用改进的灰度关联法确定准则层各因素的权重，采用模糊向量单值化法对重载铁路隧道基底结构服役状态进行评级，并通过工程案例分析对评价体系实现过程进行了详细说明。
作者：	邹文浩
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	张梅;刘艳青
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国铁道科学研究院
学位年度：	2016
正文语种：	中文