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落石冲击下无回填土拱形明洞结构可靠度设计

西南交通大学学报 2017年第6期52卷 1097-1103页

作者：王玉锁徐铭王涛王志龙何俊男周良西南交通大学土木工程学院四川成都610031 西南交通大学地球科学与环境工程学院四川成都610031

为完善拱形明洞结构可靠性设计方法,利用模型试验、数值模拟及理论分析等,结合现场实际,开展了落石冲击下无回填土拱形明洞破坏特征及失效模式、极限承载力、落石冲击荷载及极限状态表达式等的研究.首先,根据落石冲击下无回填土拱形明... 详细信息

为完善拱形明洞结构可靠性设计方法,利用模型试验、数值模拟及理论分析等,结合现场实际,开展了落石冲击下无回填土拱形明洞破坏特征及失效模式、极限承载力、落石冲击荷载及极限状态表达式等的研究.首先,根据落石冲击下无回填土拱形明洞结构失效破坏特征,将结构局部失效范围部分简化为四边固支方形钢筋混凝土板结构,利用塑性极限原理按刚塑性板进行准静态极限荷载计算,得到结构极限承载力即抗力;其次,将离散元颗粒流数值模拟方法得到的落石冲击力最大峰值作为钢筋混凝土板顶部落石冲击力,通过回归分析,得到用落石重力势能的幂函数表示的落石冲击荷载表达式;再次,将得到的结构抗力与落石冲击荷载联立得到极限状态方程,利用MABLAB软件编程求得结构可靠指标,通过与目标可靠指标的比较,进行结构可靠度设计与优化;最后,利用所建立的结构可靠度设计方法,对某客专双线拱形明洞设计进行了可靠度检算.研究结果表明:当落石高度为5~15 m、落石重量为1~2 k N时,原设计明洞结构可靠指标可达到4.2;当将原设计的C35混凝土调整为C40,钢筋由HRB335调整为HRB500后,落石高度为5~20 m、落石重量为1~2 k N范围时的结构可靠指标可达到5.4以上.

关键词：落石冲击拱形明洞塑性极限原理刚塑性板结构可靠指标

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落石冲击下拱形明洞结构受力的模型试验研究

西南交通大学学报 2019年第1期54卷 39-47页

作者：唐建辉王玉锁谢强潘润东陈铖郭晓晗李茂茹周晓军西南交通大学土木工程学院四川成都610031

为研究落石冲击下拱形明洞结构的受力特点,通过改变落石质量及回填土厚度,利用1∶30缩尺模型试验分析了结构落石冲击所在断面不同部位的横向应变、轴力及弯矩等内力响应最大峰值的大小及分布特征,对各内力最大峰值随回填土厚度的变化趋... 详细信息

为研究落石冲击下拱形明洞结构的受力特点,通过改变落石质量及回填土厚度,利用1∶30缩尺模型试验分析了结构落石冲击所在断面不同部位的横向应变、轴力及弯矩等内力响应最大峰值的大小及分布特征,对各内力最大峰值随回填土厚度的变化趋势进行了分析,最后利用结构变形、弯矩及轴力图,对落石冲击下有回填土拱形明洞结构受力模式进行了总结.研究结果表明:拱顶部位力学响应最显著,拱肩次之,拱腰及仰拱最小;结构受力形态可描述为拱顶部位轴向受拉、拱肩及以下部位为轴向受压的力学模式;与静力学分析隧道或明洞衬砌结构的荷载-结构模式不同,现行隧道设计规范中按素混凝土偏心受压构件对拱顶结构进行安全检算的方法并不适用于落石冲击工况;回填土厚度的增大有利于结构拱顶、拱肩及仰拱结构的受力,但对拱腰部位影响复杂,在设计时需结合落石规模、边墙形式及回填方式等进行具体分析.

关键词：拱形明洞落石冲击模型试验受力分析拱顶

落石冲击下拱形明洞结构受力特征及动力响应研究

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特种结构 2023年第5期40卷 39-45页

作者：佀贞贞亓兴军米家禾王培金郭冬梅山东建筑大学交通工程学院山东省交通规划设计院集团有限公司

为明确拱形明洞在落石冲击下的受力特征和动力响应,以某一全长100m铁路双线路堑式拱形明洞结构为研究对象,基于ANSYS/LS-DYNA动力有限元仿真软件,建立拱形明洞非线性有限元模型,研究明洞结构不同部位在落石冲击下的力学响应;通过改变落... 详细信息

为明确拱形明洞在落石冲击下的受力特征和动力响应,以某一全长100m铁路双线路堑式拱形明洞结构为研究对象,基于ANSYS/LS-DYNA动力有限元仿真软件,建立拱形明洞非线性有限元模型,研究明洞结构不同部位在落石冲击下的力学响应;通过改变落石质量及下落高度,分析不同工况冲击荷载下结构的应力、应变、位移、加速度等变化规律。结果表明:由三种计算工况下的响应值可得结构可以承受各计算工况下的落石冲击;在回填土厚度设计不足的情况下,拱形明洞结构易出现变形,但不会受到严重破坏;拱顶、拱肩及拱腰内侧为结构相对受力不利部位;回填土侵彻深度、最大剪应力、应变以及各测点位移随落石质量和下落高度的增大而增大,但加速度响应无明显变化规律。

关键词：拱形明洞落石冲击力学响应回填土动力有限元

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落石冲击大跨度拱形明洞结构作用机理研究

铁道工程学报 2019年第11期36卷 62-66页

作者：唐建辉周晓军蒋敦荣王玉锁西南交通大学

研究目的:为探明落石冲击作用于拱形明洞结构荷载分布规律,确保明洞结构安全,本文以铁路双线双耳墙式明洞为研究对象,采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,通过改变落石质量、冲击速度和回填土厚度分析落石冲击力和落石冲击所在横、纵断面明洞... 详细信息

研究目的:为探明落石冲击作用于拱形明洞结构荷载分布规律,确保明洞结构安全,本文以铁路双线双耳墙式明洞为研究对象,采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,通过改变落石质量、冲击速度和回填土厚度分析落石冲击力和落石冲击所在横、纵断面明洞结构受到的冲击压应力,提出计算落石冲击力、冲击压应力的方法。研究结论:(1)当回填土厚度从1 m增大至4 m时,落石冲击力没有明显变化,而落石冲击作用于明洞结构的最大压应力迅速减小,说明应以落石冲击压应力和回填土自重应力作为明洞结构设计依据;(2)落石冲击压应力随着距落石冲击点水平距离的增大而减小,近似成圆台形分布,其扩散角约为50°;(3)落石冲击力、冲击压应力随落石质量、冲击速度的增大而增大;(4)综合落石质量和冲击速度提出了以冲击能量计算落石冲击力和冲击压应力的方法;(5)本研究成果可为明洞设计提供参考。

关键词：铁路隧道落石拱形明洞冲击压应力冲击力数值模拟

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落石冲击下大跨度拱形明洞结构力学响应

铁道标准设计 2021年第4期65卷 122-127页

作者：蒋敦荣周晓军唐建辉刘科交通隧道工程教育部重点实验室成都610031 西南交通大学土木工程学院成都610031 中铁二院成都勘察设计研究院有限责任公司成都610031

为研究大跨度铁路隧道拱形明洞结构在落石冲击下的受力情况,以双耳墙式拱形明洞为研究对象,采用动力有限元方法,通过改变回填土厚度、落石质量和冲击速度对拱形明洞结构的力学响应进行了研究。研究结果表明:在落石冲击作用下,当回填土... 详细信息

为研究大跨度铁路隧道拱形明洞结构在落石冲击下的受力情况,以双耳墙式拱形明洞为研究对象,采用动力有限元方法,通过改变回填土厚度、落石质量和冲击速度对拱形明洞结构的力学响应进行了研究。研究结果表明:在落石冲击作用下,当回填土厚度小于2.5 m时,拱顶处力学响应最显著,当回填土厚度大于3.0 m时,拱脚处力学响应最显著;随着回填土厚度的增加,拱脚Mises等效应力和应变增大,而拱顶Mises等效应力和应变先减小后增大;当回填土厚度为2.0 m时,明洞结构受到的Mises等效应力和应变最小,对结构最有利,建议回填土厚度取1.5~2.5 m;随着落石冲击速度和质量的增大,各关键部位Mises等效应力和位移均增大。

关键词：铁路隧道大跨度隧道力学响应数值计算拱形明洞落石冲击

落石冲击拱形明洞结构作用力传递机理模型试验研究

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铁道建筑 2019年第11期59卷 79-83页

作者：唐建辉王玉锁徐铭周晓军李勇西南交通大学土木工程学院四川成都610031 西南交通大学地球科学与环境工程学院四川成都610031 中铁二局第五工程有限公司四川成都610091

通过改变落石质量、下落高度及明洞回填土厚度,利用缩尺模型试验分析了落石冲击点明洞横、纵断面结构不同部位的冲击压应力以及拱顶加速度。研究结果表明:作用于隧道明洞结构的冲击压应力及其分布范围随落石质量、下落高度的增大而增大... 详细信息

通过改变落石质量、下落高度及明洞回填土厚度,利用缩尺模型试验分析了落石冲击点明洞横、纵断面结构不同部位的冲击压应力以及拱顶加速度。研究结果表明:作用于隧道明洞结构的冲击压应力及其分布范围随落石质量、下落高度的增大而增大;在靠近落石冲击点正下方一定区域内,压应力随回填土厚度的增大而减小,而在较远区域压应力则随回填土厚度先增大后减小;冲击压应力最大值位于拱顶冲击部位,并随着距拱顶冲击点距离的增大而减小;拱形明洞竖向加速度最大,其次是纵向,横向最小。

关键词：铁路隧道冲击压应力模型试验拱形明洞落石冲击

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落石冲击下拱形明洞结构概率可靠性研究

落石冲击下拱形明洞结构概率可靠性研究

作者：冯高飞西南交通大学

学位级别：硕士

随着高速铁路向西部艰险山区的延伸,铁路隧道工程的修建难度和建设规模越来越大,但受地质条件和施工扰动等因素的影响,使得隧道洞口段成为最易遭受落石侵袭的地段,而拱形明洞结构由于受力合理,抗冲击性能强,且与暗洞过渡自然等优点,日... 详细信息

随着高速铁路向西部艰险山区的延伸,铁路隧道工程的修建难度和建设规模越来越大,但受地质条件和施工扰动等因素的影响,使得隧道洞口段成为最易遭受落石侵袭的地段,而拱形明洞结构由于受力合理,抗冲击性能强,且与暗洞过渡自然等优点,日渐成为落石多发区普遍采用的防护措施。本文以客运专线双线隧道拱形明洞为研究对象,通过文献调研,理论分析和三维颗粒流离散元(pFC3D)模拟的方法,对落石冲击下拱形明洞结构的概率可靠性进行了系统研究,主要研究成果如下:1、通过对实际落石灾害和室内模型试验的调研分析,结合离散元颗粒流模拟结果,可以确定落石冲击下拱形明洞结构表现为局部的失效破坏。根据落石冲击下拱形明洞结构的力学响应特征和荷载分布形态,可将明洞失效部分简化为四边固支钢筋混凝土方形板,按刚塑性板静态失效荷载的计算方法,得出结构在落石冲击下的极限承载力表达式。2、利用三维颗粒流离散元模拟方法,对不同落石高度、不同落石重量及不同回填土厚度条件下,落石冲击方形平板结构试验进行模拟,确定了平板不同尺寸范围内所受的落石冲击荷载,结合对应的工况组合条件,建立了关于落石冲击中心集中力和均布压力的回归分析表达式,以此来反映落石冲击荷载的变化规律。3、根据已确定的结构极限承载力和落石冲击荷载联立得到极限状态方程,结合随机变量的分布类型和概率统计特征,采用适用于包含非正态随机变量可靠性分析的当量正态化法,通过编写MATLAB程序对结构可靠指标进行计算,求得落石冲击下拱形明洞结构的可靠指标最小值为2.85,对应的失效破坏概率为0.219%。

关键词：落石冲击拱形明洞结构概率可靠性刚塑性板冲击荷载极限承载力

落石冲击下拱形明洞落石冲击荷载及荷载效应研究

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落石冲击下拱形明洞落石冲击荷载及荷载效应研究

作者：李正辉西南交通大学

学位级别：硕士

落石冲击下拱形明洞结构的力学响应,与结构特征、落石条件及回填方式等众多因素有关,受力机理复杂,只有将拱形明洞在落石冲击下的结构受力机理研究清楚了,才能使结构设计更加安全和经济,才可能使定性的经验设计过渡到科学的可靠性设计... 详细信息

落石冲击下拱形明洞结构的力学响应,与结构特征、落石条件及回填方式等众多因素有关,受力机理复杂,只有将拱形明洞在落石冲击下的结构受力机理研究清楚了,才能使结构设计更加安全和经济,才可能使定性的经验设计过渡到科学的可靠性设计上来。本文以我国新建时速200公里客货共线铁路双线路堑式拱形明洞结构为研究对象,采用离散元和有限元相结合的方法对落石冲击拱形明洞结构冲击力大小影响因素、冲击荷载及荷载效应开展研究。主要研究内容及成果如下:(1)离散元颗粒流数值计算模型的建立。采用离散元颗粒流PFC3D软件,通过三轴试验校准得到与材料宏观物理力学性质一致的细观参数,建立了不同坡度、落石下落高度、回填土厚度、落石重量和坡面性质条件下防落石拱形明洞结构数值计算模型。(2)运用正交设计理论,选择正交表为L(5)的正交试验方案,考察坡度、落石下落高度、回填土厚度、落石重量和坡面性质这五个因素对落石冲击拱形隧道明洞结构的影响,以结构拱顶受到的冲击峰值力作为评价指标,采用极差分析和方差分析进行了影响因素显著水平检验。研究结果表明,回填土厚度对落石冲击拱形隧道明洞结构的冲击力影响最显著。(3)采用ANSYS/LS-DYNA动力有限元仿真软件,对落石冲击下拱形明洞结构力学响应进行研究。首先,从落石与回填土之间的相互作用入手,比较了落石对回填土表面的冲击力、由回填土传递到结构表面的冲击土压力(合力)以及拱顶表面受到的冲击压应力及其对应最大峰值之间的关系,提出应采用拱顶表面受到的冲击压应力作为落石冲击荷载;其次,对落石冲击荷载效应如结构的应力、应变、应变率、位移、加速度等响应进行了分析,对墙脚、仰拱底部地基反力进行了分析,分析得出拱顶是结构受力最不利部位,仰拱处基底反力响应滞后于墙脚基底反力响应;最后,进行了落石不同势能下结构各部位峰值响应最大值的曲线拟合,拟合出响应趋势曲线方程。

关键词：拱形明洞落石冲击离散元颗粒流回填土动力有限元冲击效应

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拱形明洞在短隧道群中洞口高边坡的安全应用

铁道建筑技术 2011年第S1期 122-125页

作者：王林中铁十二局集团第二工程有限公司太原030032

郑西客专为了有效地控制沉降,构筑物设计理念以桥隧为主,ZXZQ03标部分隧道之间为短路基桩板结构及单跨桥相连,洞口原设计为斜切式洞门,洞顶边坡为高边坡刷方,部分隧道口增设拱形明洞防护结构,采用拱形明洞接长及连接方案,确保动车运营... 详细信息

郑西客专为了有效地控制沉降,构筑物设计理念以桥隧为主,ZXZQ03标部分隧道之间为短路基桩板结构及单跨桥相连,洞口原设计为斜切式洞门,洞顶边坡为高边坡刷方,部分隧道口增设拱形明洞防护结构,采用拱形明洞接长及连接方案,确保动车运营安全。

关键词：拱形明洞短隧道群高边坡安全应用