高速铁路装配式衬砌隧道气动荷载规律及管片连接螺栓疲劳损伤机理研究

At present, the design and construction of the prefabricated lining structure of the high-speed railway tunnel in China is just beginning. Aiming at the variation rule of aerodynamic load and the fatigue damage of the prefabricated lining structure under the aerodynamic load, the research on the high-speed railway tunnel under the prefabricated lining condition has not been carried out. Study on the damage mechanism of lining structure in this project is based on the high-speed train entering tunnel prefabricated lining the "pull - press" cycle aerodynamic loads as the core, focusing on bolt prefabricated lining dynamic fatigue damage mechanism under load in the gas to carry out in-depth study. By means of theoretical analysis, model test combined with numerical simulation, the research of high speed into the prefabricated lining tunnel listed the aerodynamic load spectrum, on the basis of the "pull - press" cycle gas under dynamic load of tunnel prefabricated lining bolt force change characteristics, reveal its fatigue to describe the damage mechanism, damage accumulation model and nonlinear fatigue type of tunnel lining assembly damage evolution equation to predict the aerodynamic load spectrum of prefabricated lining under overall and bolt fatigue life based on the final establishment of the high-speed railway tunnel lining structure assembly reliability design method, and provide scientific basis for China's high-speed railway tunnel prefabricated lining life comprehensive durability design.

目前，我国高速铁路隧道装配式衬砌结构设计及施工刚起步，针对装配式衬砌条件下的高速铁路隧道气动荷载的变化规律以及气动荷载作用下的装配式衬砌结构疲劳损伤还未开展研究。本项目以高速列车进入装配式衬砌结构隧道产生的“拉-压”循环气动荷载下的衬砌结构的损伤机理研究为核心，重点围绕装配式衬砌结构的螺栓在气动荷载作用下的疲劳损伤机理开展系统深入的研究。通过采用理论分析、数值模拟、室内模型试验相结合的方法，研究高速列举进入装配式衬砌隧道产生的气动荷载谱的变化规律，在此基础上研究“拉-压”循环气动荷载作用下隧道装配式衬砌螺栓结构受力变化特点，揭示其疲劳损伤机理，建立描述隧道装配式衬砌结构的累积损伤模型及非线性疲劳损伤演化方程，对基于气动荷载谱下的装配式衬砌结构整体与螺栓疲劳损伤寿命进行预测，最终建立高速铁路隧道装配式衬砌结构可靠性设计方法，为我国高速铁路隧道装配式衬砌结构全寿命综合耐久性设计提供科学依据。

高速列车通过装配式(盾构隧道)隧道时，由于管片结构表面凹凸不平，这会导致盾构隧道内与模筑衬砌隧道内的压力波变化规律存在差异；在气动荷载长期作用下会造成衬砌结构出现累积疲劳损伤。基于上述工程背景，本文以盾构隧道和CRH380A列车为研究对象，采用动模型实验、数值仿真和理论计算相结合的方法，围绕盾构隧道内的气动效应、不同衬砌结构下隧道内气动效应的差异、气动荷载长期作用下管片结构累积疲劳损伤及多场耦合作用下管片与螺栓受力特性展开研究。主要研究有：.(1) 基于π定理推导出了列车动模型实验的相似性准则，分析了所涉及到的基本影响因素；明确了动模型实验过程中雷诺数处于第二自模区，其模型试验的结果可以直接应用到实车中。通过动模型实验测量了隧道壁面气动压力及隧道出口的微气压波，分析了动模型实验中壁面压力的三维效应和隧道出口的微气压波特性；基于动模型实验数据验证了数值计算模型与方法的合理性。.(2) 基于气动压力波在盾构隧道内的传播特点，推导了单列车通过盾构隧道时管片上最大压力幅值位置的数学表达式。通过数值模拟修正了考虑列车长度时初始压缩波的经验公式，得到了列车摩阻系数为2.255 Pa/m。揭示了不同隧道衬砌结构的压力峰值会随着隧道长度增加而相差越明显，阐明了列车通过盾构隧道时能降低隧道出口外的微气压波幅值及列车驶出隧道后结构上的压力峰值；建立了隧道压力峰峰值衰减率与气动荷载循环周期数之间的对数函数表达式，这为气动荷载长期作用下衬砌结构累积疲劳损伤计算提供了理论基础。.(3) 考虑到气动荷载间的相互影响和列车多次通过盾构隧道时管片结构的疲劳损伤增量，提出了结构累积疲劳损伤修正方程；结合混凝土的S-N疲劳方程，分析了气动荷载长期作用下衬砌结构的疲劳损伤程度，得出了管片结构累积疲劳损伤量近似与气动荷载循环周期数的平方成正比。.(4) 衬砌背后脱空范围越大，脱空处三维位移响应越明显；脱空附近处的管片结构轴力有明显降低，脱空处负弯矩相较于无脱空处有明显增加。从管片应力应变的影响程度可知，围岩压力起主导因素，其次是列车振动荷载，气动荷载影响最小；而对于任意荷载形式及多场耦合作用，管片安全系数均满足规范要求。同时得出了衬砌背后脱空时，直螺栓和弯曲螺栓杆上的节点应力、应变近似呈“W”型分布；除螺母附近预紧力的影响之外，接缝面处的螺栓由于受到多场耦合作用，螺栓杆中央测点的应力和应变大，两侧数值小。