CN111597617B - 一种盾构隧道疲劳寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

一种盾构隧道疲劳寿命预测方法，本发明涉及盾构隧道测量技术领域，建立车辆‑轨道耦合动力学模型，通过理论分析计算轮轨耦合接触时的地铁列车荷载；采用有限元方法构建盾构隧道三维有限元模型进行隧道动力响应分析，计算列车荷载作用下的盾构隧道结构应力时程曲线；结合疲劳累积损伤准则，预测盾构隧道不同结构部位的疲劳寿命。采用动力响应计算以及疲劳累积损伤准则结合的方式，计算精度高，对隧道运营期疲劳寿命预测有着重要的意义。

Description

一种盾构隧道疲劳寿命预测方法

技术领域

本发明涉及盾构隧道测量技术领域，具体涉及一种盾构隧道疲劳寿命预测方法。

背景技术

近年来，随着我国城市地下空间的不断开发和利用，城市轨道交通系统发展成复杂线网，新建隧道与既有地下隧道接近从而形成双线或多线交叠的复杂岩土工程问题日益突出。然而空间交叠隧道在运营期，列车同时运行产生的振动荷载在土中传播时存在叠加放大效应。对于隧道结构而言，交叠线路的振动激励放大，使得隧道结构承受额外动荷载，加剧其疲劳损伤，威胁其百年服役寿命。

针对上述问题，国内外学者利用模型试验、理论分析、数值模拟等方法开展了深入细致的研究，但这些研究着重在于改变新建交叠隧道的设计参数对既有隧道稳定性的影响，以减少和优化对既有隧道寿命的损害，对于实际交叠隧道在运营期间的疲劳寿命仍无法给出一个预测值。因此交叠隧道在运营期间的疲劳寿命预测在工程领域问题中，亟待解决。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种设计合理的盾构隧道疲劳寿命预测方法，采用动力响应计算以及疲劳累积损伤准则结合的方式，计算精度高，对隧道运营期疲劳寿命预测有着重要的意义。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：它的步骤如下：

步骤一、建立车辆-轨道耦合动力学模型，通过理论分析计算轮轨耦合接触时的地铁列车荷载；

步骤二、采用有限元方法构建盾构隧道三维有限元模型进行隧道动力响应分析，计算列车荷载作用下的盾构隧道结构应力时程曲线；

步骤三、结合疲劳累积损伤准则，预测盾构隧道不同结构部位的疲劳寿命，疲劳寿命的计算公式为：

式中，T_min为疲劳寿命年限最小值；N_fmin为材料疲劳特性代表值最小值。

进一步地，所述的步骤一中，动力学模型为消除边界效应，提高计算精度，模型长度方向的长度取为隧道直径的8～10倍，并根据现场实际情况确定模型材料参数。

进一步地，所述的步骤一中，通过理论分析计算轮轨耦合接触时的地铁列车荷载，将车辆-轨道耦合系统分解为上部列车子系统和下部轨道子系统，运用交叉迭代算法对两个子系统分别求解，有限元方程的求解采用NewMark数值积分法，两个子系统通过位移协调和轮轨作用力的平衡条件联系，采用赫兹非线性接触公式计算轮轨接触时的轮轨力，计算公式为：

式中，F_uli为轮轨耦合接触时的轮轨力；G为挠度系数；ν_ωi为第i个车轮的位移；ν_lci和η_i分别为第i个轮轨接触处的钢轨位移和轨道不平顺值。

进一步地，所述的步骤二中，采用有限元方法构建盾构隧道三维有限元模型进行隧道动力响应分析，动力响应评价指标选取主应力来评价隧道结构振动响应，运营期管片结构主应力限值参照《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》，对列车重复荷载作用下混凝土衬砌结构的拉、压主应力作如下规定：

σ_ct≤0.7f_ct

σ_c≤0.55f_c

式中，σ_ct为混凝土管片结构拉应力；f_ct为混凝土管片抗拉极限强度；σ_c为混凝土管片结构压应力；f_c为混凝土抗压极限强度。

进一步地，所述的步骤三中，疲劳累计损伤准则如下：结构或构件在循环荷载作用下，产生的疲劳损伤是线性叠加的，不同应力水平之间互不相关并且相互独立，当累积得到的损伤达到某一数值时，试件或者构件就发生疲劳破坏。

进一步地，所述的步骤三中，结合疲劳累积损伤准则，根据材料的疲劳S-N曲线，运用雨流计数方法，结合材料的疲劳寿命方程预测结构危险部位的疲劳寿命。

进一步地，所述的材料的疲劳S-N曲线是选择潮湿环境下材料的疲劳试验得到的考虑最大应力水平与最小应力水平的疲劳寿命曲线来拟合的，计算公式为：

式中，N为材料的疲劳特性代表值；σ_max为最大应力值；σ_min最小应力值；f为材料极限强度。

采用上述方法后，本发明的有益效果是：本发明提供了一种盾构隧道疲劳寿命预测方法，采用动力响应计算以及疲劳累积损伤准则结合的方式，计算精度高，对隧道运营期疲劳寿命预测有着重要的意义。

附图说明：

图1是本发明的流程图.

图2是本发明中盾构隧道平面示意图。

图3是本发明中盾构隧道剖面示意图。

图4是本发明中盾构隧道有限元模型图。

图5是本发明中循环荷载作用下轮轨力示意图。

图6是本发明中最大主应力时程曲线示意图。

附图标记说明：

上部隧道区段A、下穿隧道区段B、人工边界C。

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图6所示，本实施例以某地铁一个穿越工点为背景，研究四孔交叠隧道区域于列车动荷载作用下的振动放大效应，预测隧道长期结构的疲劳寿命，其包括以下步骤：

步骤一、动力计算模型为消除边界效应，提高计算精度，模型长度方向的长度取为隧道直径的8～10倍，并根据现场实际情况确定模型材料参数。对于该交叠隧道，其平面示意图如图2所示，某盾构的上部隧道区段A K6+303～K6+326与其下穿的下穿隧道区段B K25+5～K25+25呈井字交叉，交叉区段长宽约20m。其交叉节点典型剖面图如图3所示，两线最小净距约3.7m，上部隧道区段A埋深约7.3m，夹于上下两层粉砂层之间；下穿隧道区段B埋深约为17.2m，位于既有上部隧道区段A下方，处于下层的粉砂层位置处，场地潜水位埋深0.5m。建立隧道、土体系统动力计算模型如图4，模型长度为100m，模型宽度为100m，模型深度为50m，交叠节点模型材料参数结合地勘报告拟定。

该交叠隧道均采用A型地铁列车，每列列车6节编组，最高运行时速80千米/小时，通过理论分析计算轮轨耦合接触时的地铁列车荷载，将车辆-轨道耦合系统分解为上部列车子系统和下部轨道子系统，运用交叉迭代算法对两个子系统分别求解，有限元方程的求解采用NewMark数值积分法，两个子系统通过位移协调和轮轨作用力的平衡条件联系，采用赫兹非线性接触公式计算轮轨接触时的轮轨力。

计算公式为：

式中，F_uli为轮轨耦合接触时的轮轨力；G为挠度系数；ν_ωi为第i个车轮的位移；ν_lci和η_i分别为第i个轮轨接触处的钢轨位移和轨道不平顺值。计算结果如图5所示。

步骤二、采用有限元方法构建盾构隧道三维有限元模型进行隧道动力响应分析，计算列车荷载作用下的盾构隧道结构应力时程曲线步骤中，盾构隧道三维有限元模型中盾构管片采用均质圆环建模，考虑南京地铁实际圆环管片是错缝拼装，而且用环向和纵向的螺栓连接，为避免建模的管片刚度过大，导致计算得到的应力值偏小，对管片刚度进行折减。盾构隧道正交各向异性等效模型的横向刚度折减系数为0.718，纵向刚度折减系数为0.52。动力响应评价指标选取主应力来评价隧道结构振动响应，运营期管片结构主应力限值参照《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》，对列车重复荷载作用下混凝土衬砌结构的拉、压主应力作如下规定：

σ_ct≤0.7f_ct

σ_c≤0.55f_c

式中，σ_ct为混凝土管片结构拉应力；f_ct为混凝土管片抗拉极限强度；σ_c为混凝土管片结构压应力；f_c为混凝土抗压极限强度。

交叠隧道在列车同时运行产生的振动荷载作用下，交叠区域叠加放大效应，因此取1号线与5号线隧道交叠中心处隧道拉应力幅值如表1所示，此处为交叠隧道拉应力最大值处，盾构隧道结构的最大拉应力时程曲线如图6所示。由于最小主应力的最大值与最大主应力的最大值相差3个数量级，而且在疲劳公式中最大水平应力与最小水平应力各自的系数均没有级数上的差别，所以最小主应力对最终的影响甚小，本文直接提取最小主应力参与计算，而不再展示时程曲线。

表1交叠隧道拉应力幅值表

步骤三、结合疲劳累积损伤准则，根据材料的疲劳S-N曲线，运用雨流计数方法，结合材料的疲劳寿命方程预测结构危险部位的疲劳寿命。

材料的疲劳S-N曲线，是选择潮湿环境下材料的疲劳试验得到的考虑最大应力水平与最小应力水平的疲劳寿命曲线来拟合的，计算公式为：

式中，N为材料的疲劳特性代表值；σ_max为最大拉应力值；σ_min最小拉应力值；f为C50混凝土抗拉极限强度，f＝2.64MPa。计算结果如下所示：

1号线：

5号线：

则盾构隧道疲劳寿命为：

1号线：

5号线：

采用上述方法后，本具体实施方式的有益效果如下：本具体实施方式提供了一种盾构隧道疲劳寿命预测方法，采用动力响应计算以及疲劳累积损伤准则结合的方式，计算精度高，对隧道运营期疲劳寿命预测有着重要的意义。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种盾构隧道疲劳寿命预测方法，其特征在于：它的步骤如下：

步骤(一)、建立车辆-轨道耦合动力学模型，通过理论分析计算轮轨耦合接触时的地铁列车荷载；动力学模型为消除边界效应，提高计算精度，模型长度方向的长度取为隧道直径的8～10倍，并根据现场实际情况确定模型材料参数；通过理论分析计算轮轨耦合接触时的地铁列车荷载，将车辆-轨道耦合系统分解为上部列车子系统和下部轨道子系统，运用交叉迭代算法对两个子系统分别求解，有限元方程的求解采用NewMark数值积分法，两个子系统通过位移协调和轮轨作用力的平衡条件联系，采用赫兹非线性接触公式计算轮轨接触时的轮轨力，计算公式为：

式中，F_uli为轮轨耦合接触时的轮轨力；G为挠度系数；ν_ωi为第i个车轮的位移；ν_lci和η_i分别为第i个轮轨接触处的钢轨位移和轨道不平顺值；

步骤(二)、采用有限元方法构建盾构隧道三维有限元模型进行隧道动力响应分析，计算列车荷载作用下的盾构隧道结构应力时程曲线；采用有限元方法构建盾构隧道三维有限元模型进行隧道动力响应分析，动力响应评价指标选取主应力来评价隧道结构振动响应，对列车重复荷载作用下混凝土衬砌结构的拉、压主应力作如下规定：

σ_ct≤0.7f_ct

σ_c≤0.55f_c

式中，σ_ct为混凝土管片结构拉应力；f_ct为混凝土管片抗拉极限强度；σ_c为混凝土管片结构压应力；f_c为混凝土抗压极限强度；

步骤(三)、结合疲劳累积损伤准则，预测盾构隧道不同结构部位的疲劳寿命，疲劳寿命的计算公式为：

式中，T_min为疲劳寿命年限最小值；N_fmin为材料疲劳特性代表值最小值；

疲劳累计损伤准则如下：结构或构件在循环荷载作用下，产生的疲劳损伤是线性叠加的，不同应力水平之间互不相关并且相互独立，当累积得到的损伤达到某一数值时，试件或者构件就发生疲劳破坏；结合疲劳累积损伤准则，根据材料的疲劳S-N曲线，运用雨流计数方法，结合材料的疲劳寿命方程预测结构危险部位的疲劳寿命；所述的材料的疲劳S-N曲线是选择潮湿环境下材料的疲劳试验得到的考虑最大应力水平与最小应力水平的疲劳寿命曲线来拟合的，计算公式为：

式中，N为材料的疲劳特性代表值；σ_max为最大应力值；σ_min最小应力值；f为材料极限强度。

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