考慮初始損傷的鐵路隧道底部結構疲勞破損機理研究

《考慮初始損傷的鐵路隧道底部結構疲勞破損機理研究》是依託昆明理工大學，由丁祖德擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：考慮初始損傷的鐵路隧道底部結構疲勞破損機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：丁祖德
• 依託單位：昆明理工大學

項目摘要

鐵路隧道底部結構的服役性能直接影響列車運營安全，因質量缺陷及基底狀況變化等因素，多數隧道底部結構帶損傷服役，這嚴重影響了底部結構使用壽命，造成底部結構破損問題突出。然而，目前國內外在對隧道底部結構的研究中，往往從理想狀態入手，而忽略了結構存在初始損傷的實際情況。本項目採用理論分析、室內試驗和數值模擬相結合的方法，研究帶損傷底部結構在列車反覆動載下的疲勞耐久性問題,揭示帶損傷底部結構的疲勞破壞機理；構建混凝土損傷斷裂耦合模型，確立隧道底部結構損傷斷裂全過程模擬的計算方法；分析初始損傷的類型、程度及位置對底部結構服役性能的影響規律；在此基礎上，建立結構安全性評價方法,提出延長結構使用壽命的措施。項目成果不僅為既有鐵路隧道底部結構的維修養護、病害整治提供科學依據，而且有助於深化我國鐵路隧道底部結構設計理論和計算方法，具有重要的理論意義和工程套用價值。

結題摘要

底部結構是鐵路隧道設計的關鍵部位之一，其服役性狀直接影響結構運營安全。本課題針對運營鐵路隧道底部結構服役過程中普遍存在的初始損傷問題，以帶初始損傷隧道底部結構為研究對象，從計算理論、模型試驗和數值分析三部分，系統地研究了含初始缺陷損傷底部結構的動力回響、動變形累積以及疲勞損傷累積規律。課題組首先展開了循環荷載作用下混凝土材料的力學行為研究，確定了混凝土拉、壓損傷變數及演化方程，將損傷引入到雙曲線D-P準則中，構建了混凝土彈塑性損傷模型。基於ABAQUS有限元軟體，通過編制USDFLD子程式完成了模型的二次開發，實現了底部結構損傷破壞全過程的數值模擬。在模型試驗部分，通過考慮基岩與底部結構之間接觸良好、含有軟弱層無積水和含有軟化層且有積水三種結合狀態下，隧道底部結構混凝土與基底圍岩組合構件的循環動載試驗，確定了不同結合狀態對組合試件動變形特性的影響；還通過基底脫空、既有裂縫兩種典型損傷底部結構試件的疲勞試驗，揭示了反覆動載下底部結構的疲勞損傷破壞機理。在數值分析部分，分別建立了不帶仰拱底板結構和帶仰拱襯砌結構動力計算模型，開展了隧道基底圍岩軟化及脫空、底部混凝土初始裂縫、局部疏鬆三大類典型初始損傷對隧道底部結構振動特性的影響研究，確定了不同損傷類型及損傷程度對隧道底部結構的影響。在分析疲勞累積損傷理論基礎上，提出了一種冪函式形式的非線性損傷累積模型，結合結構疲勞壽命預測方法，預測了含初始損傷的隧道底部結構剩餘壽命，探討了初始損傷對底部結構長期服役性能的影響。研究成果為我國既有鐵路隧道底部結構的安全性評價、維修養護及病害整治，新建隧道底部結構設計以及服役性能評價等提供了理論依據，而且有助於提高隧道結構振動回響計算理論。