CN109030206B - 铁路隧道基底结构的试验模拟系统及确定力学响应的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铁路隧道基底结构的试验模拟系统及确定力学响应的方法，包括：荷载输入装置：负责模拟列车在不同速度、不同轴重条件产生的轮轨荷载；刚度传递装置：将荷载输入装置输入的振动荷载传递至仰拱或底板，负责模拟不同轨道结构和隧道基底结构的刚度传递情况；数据采集装置：负责采集隧道仰拱或底板处的动荷载。本发明通过调节荷载输入装置的工作频率和加载力的大小可得到不同行车速度下及不同列车轴重下的结果；通过调整弹簧片、阻尼器的数量及连接方式得到不同刚度体系下荷载传递情况，可还原列车振动荷载下轨道结构和隧道基底结构的刚度传递效应及荷载传递效应，对任意铁路隧道仰拱/底板处振动荷载的确定均适用。

Description

铁路隧道基底结构的试验模拟系统及确定力学响应的方法
技术领域
本发明涉及铁路隧道力学响应测试技术领域，尤其涉及铁路隧道基底结构的试验模拟系统及确定力学响应的方法。
背景技术
与传统铁路不同，重载铁路和高速铁路由于列车轴重和列车运行速度的增大，其轨下结构及围岩将承受更大荷载作用，加之由于线路不平顺等一系列因素，列车通过时还会形成动力效应，使得隧道基底围岩出现脱空以及仰拱/底板结构累积损伤等病害，影响列车通行安全。一般情况下，隧道基底产生的病害难以观测，大多是在出现翻浆冒泥、轨枕变形过大等现象才得以发现。分析病害产生原因的先决条件是确定列车振动荷载激励下铁路隧道基底结构的力学响应。
铁路隧道动力响应中荷载的研究对象包括两个：钢轨上的振动荷载和隧道仰拱/底板处的振动荷载。
钢轨上的振动荷载可以通过现场实测和理论分析得到，其涉及车辆轴重、悬挂质量、列车运行质量、轨道形状、线路平顺度等多方面因素。在考虑轨枕力在线路上的移动、叠加效应以及钢轨的分散作用和轨道不平顺等影响因素的情况下，可以建立相应的列车激振力函数来表示钢轨上的振动荷载。
相比于钢轨上振动荷载的易确定性，隧道仰拱/底板处振动荷载的确定通常基于现场实测和数值模拟。但现场实测不仅耗时耗力，且不具有普遍代表性，针对轨道、隧道基底结构的不同结构型式，数据的重复利用性低；数值模拟是基于将列车、轨道按照一定的轮轨接触假设建立起来的列车-轨道-基底耦合力学模型，钢轨上的振动荷载经轨道-扣件-轨枕等一系列减震装置传递给隧道基底结构，提取隧道仰拱的反应力作为列车通过时作用在隧道仰拱上的主动荷载，但此种方法受模型具体参数影响较大，具有较大的不确定性。
列车在运行过程中，钢轨和轨道板在仰拱、隧底填充层、砂浆层、砼基础顶部直接承受着列车荷载压力及冲击作用，并将动荷载传递给轨下结构，因此，钢轨和轨道的刚度以及隧道基底结构自身的刚度对动荷载的传递有着比较明显的影响。由于现场实测的复杂性以及数值模拟结果的不确定性，针对不同型式的轨下结构，通常只能得到列车运行过程中对于钢轨和轨道的荷载效应，但对于隧道结构来说，列车运行影响的关键部位是仰拱/底板部位，其力学响应将直接影响隧道衬砌结构的稳定性，所以确定列车过车时隧道仰拱/底板部位的力学响应是必要的。
发明内容
本发明旨在提供铁路隧道基底结构的试验模拟系统及确定力学响应的方法，可以确定列车过车时隧道仰拱/底板部位的力学响应。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
铁路隧道基底结构的试验模拟系统，不仅包括围岩模拟结构、隧道底部模拟结构，隧道底部模拟结构包括仰拱，还包括：
荷载输入装置：负责模拟列车在不同速度、不同轴重条件产生的轮轨荷载；
刚度传递装置：将荷载输入装置输入的振动荷载传递至仰拱或底板，负责模拟不同轨道结构和隧道基底结构的刚度传递情况；
数据采集装置：负责采集隧道仰拱或底板处的动荷载。
进一步的，试验模拟系统还包括数据分析装置：对荷载输入装置输入的轮轨荷载以及数据采集装置采集到的动荷载进行对比分析，得出不同的轮轨荷载在不同刚度体系下引起的隧道仰拱或底板处的力学响应。
其中，所述刚度传递装置包括弹簧系统和阻尼器系统，阻尼器系统与弹簧系统通过水平设置的板件A连接，所述阻尼器系统位于板件A上方，弹簧系统位于板件A下方。
进一步的，所述阻尼器系统包括至少两个阻尼器组件，阻尼器组件间隔设于同一水平面上，阻尼器组件下端与板件A连接；
每个阻尼器组件包括至少一个阻尼器；当每个阻尼器组件包括至少两个阻尼器时，同一组的阻尼器上下串联；每个阻尼器组件包括的阻尼器个数相等。
进一步的，所述弹簧系统包括至少两个弹簧组件，弹簧组件间隔设于同一水平面上，弹簧组件上端与板件A连接；
每个弹簧组件包括至少一个弹簧；当每个弹簧组件包括至少两个弹簧时，同一组的弹簧上下串联；每个弹簧组件包括的弹簧个数相等。
优选地，所述阻尼器组件有18个，每个阻尼器组件包括两个阻尼器；所述弹簧组件有24个，每个弹簧组件包括两个弹簧。
进一步的，荷载输入装置包括作动器、板件B、板件C和至少两根固定柱，所述板件B平行设于板件C上方，板件C平行设于板件A上方，阻尼器系统与板件C连接，固定柱竖直设于板件B与板件C之间，作动器设于板件B上方。
进一步的，还包括板件D，板件D设于弹簧系统下方，负责将载荷扩散后传递至仰拱或底板。
利用上述试验模拟系统确定列车振动荷载激励下铁路隧道基底结构力学响应的方法，通过调整荷载输入装置的频率及加载力的大小输入不同行车速度以及不同轴重下的轮轨荷载；
通过改变刚度传递装置中各部件的数量及连接方式模拟不同轨道结构和隧道基底结构的刚度传递；
通过数据采集装置采集隧道仰拱或底板处的动荷载；
将荷载输入装置输入的轮轨荷载和数据采集装置得到的隧道仰拱或底板处的动荷载进行对比分析，确定不同行车速度下、不同列车轴重下、不同刚度体系下引起的隧道仰拱或底板处的力学响应。
其中，刚度传递装置包括阻尼器和弹簧，通过改变阻尼器和弹簧的数量，以及弹簧之间的串并联方式、阻尼器之间的串并联方式来模拟任意轨道结构和隧道基底结构的刚度传递。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过荷载输入装置、刚度传递装置、数据采集装置真实还原列车振动荷载下轨道结构和隧道基底结构的刚度传递效应及荷载传递效应，仅通过作用在钢轨上的振动荷载便可得到作用在隧道仰拱位置的荷载；同时，调节荷载输入装置的工作频率和加载力的大小可得到不同行车速度下及不同列车轴重下的结果，此外还可调整弹簧片、阻尼器的数量及连接方式得到不同刚度体系下荷载传递情况，对任意铁路隧道仰拱/底板处振动荷载的确定均适用。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是试验模拟系统的主视图；
图3是试验模拟系统的俯视图；
图中：1-作动器、2-板件B、3-固定柱、4-阻尼器、5-弹簧、6-连接件、7-板件A、8-板件C、9-围岩模拟结构、10-仰拱、11-板件D。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
如图1、2、3所示，本发明公开的铁路隧道基底结构的试验模拟系统，包括围岩模拟结构9、隧道底部模拟结构、荷载输入装置、刚度传递装置、数据采集装置和数据分析装置。围岩模拟结构9和隧道底部模拟结构为根据原型的几何相似比制作的模型，隧道底部模拟结构包括仰拱10。
荷载输入装置：负责模拟列车在不同速度、不同轴重条件产生的轮轨荷载；
刚度传递装置：将荷载输入装置输入的振动荷载传递至仰拱10或底板，负责模拟不同轨道结构和隧道基底结构的刚度传递情况；
数据采集装置：负责采集隧道仰拱10或底板处的动荷载。
数据分析装置：对荷载输入装置输入的轮轨荷载以及数据采集装置采集到的动荷载进行对比分析，得出不同的轮轨荷载在不同刚度体系下引起的隧道仰拱10或底板处的力学响应。
荷载输入装置包括作动器1、板件B2、板件C8和至少两根固定柱3，所述板件B2平行设于板件C8上方，板件C8平行设于板件A7上方，阻尼器系统与板件C8连接，固定柱3竖直设于板件B2与板件C8之间，作动器1设于板件B2上方。
其中，所述刚度传递装置包括弹簧系统和阻尼器系统，阻尼器系统与弹簧系统通过水平设置的板件A7连接，所述阻尼器系统位于板件A7上方，弹簧系统位于板件A7下方。
阻尼器系统包括至少两个阻尼器组件，阻尼器组件间隔设于同一水平面上，阻尼器组件下端与板件A7连接；每个阻尼器组件包括至少一个阻尼器4；当每个阻尼器组件包括至少两个阻尼器4时，同一组的阻尼器4上下串联；每个阻尼器组件包括的阻尼器4个数相等。
弹簧系统包括至少两个弹簧组件，弹簧组件间隔设于同一水平面上；每个弹簧组件包括至少一个弹簧5；当每个弹簧组件包括至少两个弹簧5时，同一组的弹簧5上下串联；每个弹簧组件包括的弹簧5个数相等。
通过改变阻尼器组件和弹簧组件的数量，以及同一组中弹簧5的数量、同一组中阻尼器4的数量可以模拟任意轨道结构和隧道基底结构的刚度传递。优选地，如图2、3所示，阻尼器组件有18个，每个阻尼器组件包括两个阻尼器4，这两个阻尼器4通过连接件6串联在一起；所述弹簧组件有24个，每个弹簧组件包括两个弹簧5。
弹簧系统下方设有板件D11，弹簧组件上端与板件A7连接，下端与板件D11连接，板件D11负责将载荷扩散后传递至仰拱10或底板。板件D11可为石膏板，板件C8可为钢板。数据采集装置包括应力计和应变片，所述应力计和应变片布置在仰拱10或底板上。
如图2、3所示，使用作动器1，输入轮轨荷载；轮轨荷载经过板件B2传递至固定柱3；传递至固定柱3的荷载经过阻尼器系统4、板件C，传递至弹簧系统；荷载经板件D11扩散后传递至仰拱10，通过数据采集装置，采集仰拱10处的动应力场，进而确定不同工况(速度、轴重、结构刚度)下列车振动荷载激励下隧道基底的力学响应。
利用上述试验模拟系统确定列车振动荷载激励下铁路隧道基底结构力学响应的方法：
通过调整荷载输入装置的频率及加载力的大小输入不同行车速度以及不同轴重下的轮轨荷载；
通过改变刚度传递装置中各部件的数量及连接方式模拟不同轨道结构和隧道基底结构的刚度传递；具体通过改变刚度传递装置中各部件的数量及连接方式模拟不同轨道结构和隧道基底结构的刚度传递；
通过数据采集装置采集隧道仰拱或底板处的动荷载；
将荷载输入装置输入的轮轨荷载和数据采集装置得到的隧道仰拱或底板处的动荷载进行对比分析，确定不同行车速度下、不同列车轴重下、不同刚度体系下引起的隧道仰拱或底板处的力学响应。
如表1所示，数值计算也证明了本发明得到的隧道仰拱/底板位置力学响应具有很好的准确性，通过有限元软件建立列车-轨道结构系统模型，在考虑作用力在轨下扣件等减振装置中的衰减作用情况下，提取隧道基底的反应力作为列车通过时作用在隧道仰拱位置处上的主动荷载，用Pj表示。本发明测得的轨下基础隧道仰拱位置的竖向应力峰值为Pi(i＝1，2，3，4)。
表1中：行车速度为Vkm/h，列车轴重为St。
本发明通过作用在钢轨上方的荷载输入装置模拟列车钢轨上的振动荷载，通过改变弹簧片、阻尼器的数量及连接方式还原不同状态下的钢轨、轨道板、砼基础、砂浆层、隧底填充层、仰拱之间的刚度传递，再通过数据采集装置得到隧道仰拱的受力情况。通过本发明可以得到在不同行车速度、不同列车轴重、不同基底结构形式、不同结构刚度情况下，隧道仰拱/底板在列车振动荷载激励下的力学响应。
当然，本发明还可有其它多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种确定列车振动荷载激励下铁路隧道基底结构力学响应的方法，其特征在于：使用的试验模拟系统包括围岩模拟结构（9）、隧道底部模拟结构，隧道底部模拟结构包括仰拱（10），还包括：
荷载输入装置：负责模拟列车在不同速度、不同轴重条件产生的轮轨荷载；
刚度传递装置：将荷载输入装置输入的振动荷载传递至仰拱（10）或底板，负责模拟不同轨道结构和隧道基底结构的刚度传递情况；
数据采集装置：负责采集隧道仰拱（10）或底板处的动荷载；
利用所述试验模拟系统确定列车振动荷载激励下铁路隧道基底结构力学响应的方法，包括：
通过调整荷载输入装置的频率及加载力的大小输入不同行车速度以及不同轴重下的轮轨荷载；
通过改变刚度传递装置中各部件的数量及连接方式模拟不同轨道结构和隧道基底结构的刚度传递；
通过数据采集装置采集隧道仰拱或底板处的动荷载；
将荷载输入装置输入的轮轨荷载和数据采集装置得到的隧道仰拱或底板处的动荷载进行对比分析，确定不同行车速度下、不同列车轴重下、不同刚度体系下引起的隧道仰拱或底板处的力学响应。
2.根据权利要求1所述的确定列车振动荷载激励下铁路隧道基底结构力学响应的方法，其特征在于:还包括数据分析装置：对荷载输入装置输入的轮轨荷载以及数据采集装置采集到的动荷载进行对比分析，得出不同的轮轨荷载在不同刚度体系下引起的隧道仰拱（10）或底板处的力学响应。
3.根据权利要求1所述的确定列车振动荷载激励下铁路隧道基底结构力学响应的方法，其特征在于:所述刚度传递装置包括弹簧系统和阻尼器系统，阻尼器系统与弹簧系统通过水平设置的板件A（7）连接，所述阻尼器系统位于板件A（7）上方，弹簧系统位于板件A（7）下方。
4.根据权利要求3所述的确定列车振动荷载激励下铁路隧道基底结构力学响应的方法，其特征在于:所述阻尼器系统包括至少两个阻尼器组件，阻尼器组件间隔设于同一水平面上，阻尼器组件下端与板件A（7）连接；
每个阻尼器组件包括至少一个阻尼器（4）；当每个阻尼器组件包括至少两个阻尼器（4）时，同一组的阻尼器（4）上下串联；每个阻尼器组件包括的阻尼器（4）个数相等。
5.根据权利要求4所述的确定列车振动荷载激励下铁路隧道基底结构力学响应的方法，其特征在于: 所述弹簧系统包括至少两个弹簧组件，弹簧组件间隔设于同一水平面上，弹簧组件上端与板件A（7）连接；
每个弹簧组件包括至少一个弹簧（5）；当每个弹簧组件包括至少两个弹簧（5）时，同一组的弹簧（5）上下串联；每个弹簧组件包括的弹簧（5）个数相等。
6.根据权利要求5所述的确定列车振动荷载激励下铁路隧道基底结构力学响应的方法，其特征在于:所述阻尼器组件有18个，每个阻尼器组件包括两个阻尼器（4）；所述弹簧组件有24个，每个弹簧组件包括两个弹簧（5）。
7.根据权利要求3、4、5或6所述的确定列车振动荷载激励下铁路隧道基底结构力学响应的方法，其特征在于: 荷载输入装置包括作动器（1）、板件B（2）、板件C（8）和至少两根固定柱（3），所述板件B（2）平行设于板件C（8）上方，板件C（8）平行设于板件A（7）上方，阻尼器系统与板件C（8）连接，固定柱（3）竖直设于板件B（2）与板件C（8）之间，作动器（1）设于板件B（2）上方。
8.根据权利要求3或5所述的确定列车振动荷载激励下铁路隧道基底结构力学响应的方法，其特征在于:还包括板件D（11），板件D（11）设于弹簧系统下方，负责将载荷扩散后传递至仰拱（10）或底板。
9.根据权利要求1所述的确定列车振动荷载激励下铁路隧道基底结构力学响应的方法，其特征在于: 刚度传递装置包括阻尼器（4）和弹簧（5），通过改变阻尼器（4）和弹簧（5）的数量，以及弹簧（5）之间的串并联方式、阻尼器（4）之间的串并联方式来模拟任意轨道结构和隧道基底结构的刚度传递。
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