考虑初始损伤的铁路隧道底部结构疲劳破损机理研究

The service performance of the tunnel bottom structure directly affects the traffic safety. Most of bottom structure with initial damage caused by deficiencies, such as construction quality and the deterioration of foundation base situation in service, it has seriously affected the service life of bottom structure and caused the bed diseases which has become a very prominent issue. At present, the research on the tunnel bottom structure is often from ideal state while the initial damage is ignored. In this project, the fatigue failure mechanism of bottom structure with initial damage under cyclic vibration loading will be investigated by using methods as theoretical analysis, laboratory tests and numerical calculation. The model coupled damage and fracture will be established, and numerical simulation method of damage and fracture-based full process of bottom structure will be presented based on secondary development technology of existing finite element software. The influence of initial damage included damage type, level and location will be analyzed on bottom structure service performance. On this basis, the assessment method of structure safety will be established and the measures to prolong the structure service life will be proposed. The research results in this project not only can provide the scientific basis for the maintenance and disease treatment of bottom structure of existing railway tunnel, but also help for the design theory and calculation methods of tunnel structure. So it has important theoretical and application value.

铁路隧道底部结构的服役性能直接影响列车运营安全，因质量缺陷及基底状况变化等因素，多数隧道底部结构带损伤服役，这严重影响了底部结构使用寿命，造成底部结构破损问题突出。然而，目前国内外在对隧道底部结构的研究中，往往从理想状态入手，而忽略了结构存在初始损伤的实际情况。本项目采用理论分析、室内试验和数值模拟相结合的方法，研究带损伤底部结构在列车反复动载下的疲劳耐久性问题,揭示带损伤底部结构的疲劳破坏机理；构建混凝土损伤断裂耦合模型，确立隧道底部结构损伤断裂全过程模拟的计算方法；分析初始损伤的类型、程度及位置对底部结构服役性能的影响规律；在此基础上，建立结构安全性评价方法,提出延长结构使用寿命的措施。项目成果不仅为既有铁路隧道底部结构的维修养护、病害整治提供科学依据，而且有助于深化我国铁路隧道底部结构设计理论和计算方法，具有重要的理论意义和工程应用价值。

底部结构是铁路隧道设计的关键部位之一，其服役性状直接影响结构运营安全。本课题针对运营铁路隧道底部结构服役过程中普遍存在的初始损伤问题，以带初始损伤隧道底部结构为研究对象，从计算理论、模型试验和数值分析三部分，系统地研究了含初始缺陷损伤底部结构的动力响应、动变形累积以及疲劳损伤累积规律。课题组首先展开了循环荷载作用下混凝土材料的力学行为研究，确定了混凝土拉、压损伤变量及演化方程，将损伤引入到双曲线D-P准则中，构建了混凝土弹塑性损伤模型。基于ABAQUS有限元软件，通过编制USDFLD子程序完成了模型的二次开发，实现了底部结构损伤破坏全过程的数值模拟。在模型试验部分，通过考虑基岩与底部结构之间接触良好、含有软弱层无积水和含有软化层且有积水三种结合状态下，隧道底部结构混凝土与基底围岩组合构件的循环动载试验，确定了不同结合状态对组合试件动变形特性的影响；还通过基底脱空、既有裂缝两种典型损伤底部结构试件的疲劳试验，揭示了反复动载下底部结构的疲劳损伤破坏机理。在数值分析部分，分别建立了不带仰拱底板结构和带仰拱衬砌结构动力计算模型，开展了隧道基底围岩软化及脱空、底部混凝土初始裂缝、局部疏松三大类典型初始损伤对隧道底部结构振动特性的影响研究，确定了不同损伤类型及损伤程度对隧道底部结构的影响。在分析疲劳累积损伤理论基础上，提出了一种幂函数形式的非线性损伤累积模型，结合结构疲劳寿命预测方法，预测了含初始损伤的隧道底部结构剩余寿命，探讨了初始损伤对底部结构长期服役性能的影响。研究成果为我国既有铁路隧道底部结构的安全性评价、维修养护及病害整治，新建隧道底部结构设计以及服役性能评价等提供了理论依据，而且有助于提高隧道结构振动响应计算理论。