基于联合仿真的盾构下穿高铁跨线桥动力响应建模分析方法

1.本发明属于有限元仿真模拟计算技术领域，具体涉及一种基于联合仿真的盾构下穿高铁跨线桥动力响应建模分析方法。


背景技术：

2.随着城市轨道交通的发展，盾构隧道下穿既有高铁跨线桥的情况越来越多，盾构在下穿既有铁路跨线桥时，会引起地层一定程度的沉降，进而导致铁路跨线桥的变形、轨道结构不平顺，由此加剧列车-轨道之间的动力响应问题，降低结构使用寿命，影响列车行车的舒适性和运行的平稳性，严重的会导致列车行车安全，危及乘客生命。因此，有必要研究在盾构下穿既有高铁跨线桥情况下，列车车辆与轨道系统之间的动态响应规律，为保证列车安全平稳运行和盾构隧道安全施工提供相应的理论依据。
3.数值仿真方法在分析盾构施工影响研究中应用广泛，建模时考虑各种因素较为充分，能很好地反映施工时的真实情况。但在盾构下穿高铁跨线桥的动力响应模拟中，大部分有限元建模软件往往都有其局限性，仅能考虑上部车轨耦合作用或者下部盾构开挖影响，无法综合考虑盾构施工与列车运行的相互作用。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于联合仿真的盾构下穿高铁跨线桥动力响应建模分析方法，其即考虑了盾构施工过程中环境因素和盾构掘进参数的影响，又综合了上部列车运行与下部盾构施工相互作用关系，利用本发明方法可对盾构隧道下穿过程中既有高铁跨线桥梁等结构振动响应状态和行车动力性能准确快速的分析评估，可为盾构隧道下穿施工风险研究和既有铁路安全运营提供参考。
5.本发明通过下述技术方案实现。
6.基于联合仿真的盾构下穿高铁跨线桥动力响应建模分析方法，其特征在于包括以下步骤：
7.s1，建立下部盾构开挖子模型和上部动力耦合子模型：根据工程设计资料，采用abaqus有限元软件建立盾构下穿高铁跨线桥的下部盾构开挖子模型；在matlab数值分析软件中通过编程语言建立列车-轨道的上部动力耦合子模型；
8.s2，联合仿真计算：在下部盾构开挖至不同开挖步时，分别计算出下部盾构开挖子模型在不同开挖步下各节点的位移、质量、刚度、阻尼及荷载的矩阵信息并导入到上部动力耦合子模型中，之后基于车轨系统动力学运动方程对列车系统和轨道系统的振动加速度、速度和位移进行联合求解；
9.s3，动力性能评价分析：基于步骤s2的联合求解结果进行列车行车安全平稳性和结构动力响应的评价分析。
10.作为具体技术方案，所述步骤s1中，建立下部盾构开挖子模型包括如下步骤：建立几何模型，赋予材料属性，添加荷载和边界条件，盾构开挖模拟和模型网格划分。
11.作为具体技术方案，所述步骤s1中，建立下部盾构开挖子模型包括如下步骤：
12.s11，建立几何模型：根据工程设计资料结合盾构施工的影响范围确定下部盾构开挖子模型的尺寸，下部盾构开挖子模型自上而下包括高铁跨线桥，地层和盾构隧道，盾构隧道从内而外包括管片，盾壳和注浆层；
13.s12，赋予材料属性：地层材料采用mohr-coulomb本构模型，高铁跨线桥、盾构隧道材料均采用线弹性本构模型；
14.s13，添加荷载和边界条件：对模型施加重力荷载，模型四周约束其水平位移，底部约束其竖向位移，桥墩上表面施加与高铁跨线桥上部结构重量等效的均布荷载；
15.s14，盾构开挖模拟：采用abaqus软件中的生死单元法实现盾构开挖模拟；
16.s15，模型网格划分：盾壳采用s4r壳单元类型，高铁跨线桥、地层、管片和注浆层采用c3d8r六面体线性单元。
17.作为具体技术方案，所述步骤s14中，盾构开挖的模拟通过abaqus软件中的生死单元法实现，且在开挖前先进行地应力平衡，模拟时以四环管片宽度为一个开挖步，每个开挖步包括隧道土体开挖、盾壳激活、管片和注浆层生成、以及注浆压力和支护压力的模拟，同时采用改变场变量的方法对注浆层设置初凝和终凝两种属性，以实现注浆层在不同开挖步中弹性模量的变化。
18.作为具体技术方案，所述步骤s1中，上部动力耦合子模型包括列车车辆模型，轨道结构模型和轮轨接触模型。
19.作为具体技术方案，所述列车车辆模型采用具有二系悬挂的整车，列车车辆模型包括车体、转向架和轮对；所述轨道结构模型采用无砟轨道，轨道结构模型由上至下分别包括钢轨和轨道板，轨道结构模型的不同单元之间通过线性弹簧-阻尼单元连接；所述轮轨接触模型是基于轮轨空间动态耦合关系和能量变分法原理，从轮轨非线性法向弹性力和切向蠕滑力中导出轮轨空间动态耦合矩阵以构建形成。
20.作为具体技术方案，所述步骤s2联合仿真计算具体为：在下部盾构开挖至不同开挖步时，分别计算出下部盾构开挖子模型在不同开挖步下各节点的位移、质量、刚度、阻尼及荷载的矩阵信息并导入到上部动力耦合子模型中，之后基于车轨系统动力学运动方程按下式对列车系统和轨道系统的振动加速度、速度和位移进行联合求解：
[0021][0022]
其中，
[0023]
式中，下标v和t分别表示列车系统和轨道系统；m
vv
、m
tt
分别表示列车系统和轨道系统的质量矩阵；c
vv
、c
vt
、c
tv
、c
tt
分别表示列车系统、列车系统对轨道系统、轨道系统对列车系统、轨道系统的相互作用阻尼矩阵；k
vv
、k
vt
、k
tv
、k
tt
分别表示列车系统、列车系统对轨道系统、轨道系统对列车系统、轨道系统的相互作用刚度矩阵；fv和f
t
分别表示列车系统和轨道系统荷载列阵；分别表示列车系统的振动加速度、速度和位移向量；分别表示轨道系统的振动加速度、速度和位移向量；w
i,k
为列车轴重；下标i和k分别表示第i节车辆和第i节车辆的第k位轮对；上标d表示转置。
[0024]
作为具体技术方案，所述步骤s3中，对于列车行车安全平稳性的评价分析，采用轮轨力、脱轨系数和轮重减载率评价列车行车安全性，采用车体振动加速度评价列车行车平稳性。
[0025]
作为具体技术方案，所述步骤s3中，从上到下依次采用钢轨、轨道板、高铁跨线桥的动位移和动加速度对结构动力响应进行评价分析。
[0026]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过在不同软件中对盾构下穿高铁跨线桥进行联合仿真分析，既考虑了盾构施工过程中环境因素和盾构掘进参数的影响，又综合了上部列车运行与下部盾构施工相互作用关系，可实现盾构隧道下穿过程中既有高铁跨线桥梁等结构振动响应状态和行车动力性能准确快速的分析评估，从而可为盾构隧道下穿施工风险研究和既有铁路安全运营提供参考，以提前预防和降低实际工程中盾构施工与列车运行存在的安全风险。
附图说明
[0027]
图1为本发明方法的流程图；
[0028]
图2为盾构开挖模拟的流程图；
[0029]
图3为盾构开挖的示意图；
[0030]
图4为下部盾构开挖子模型网格划分示意图；
[0031]
图5为上部动力耦合子模型中列车模型的示意图；
[0032]
图6为上部动力耦合子模型中轨道模型的示意图；
[0033]
图7为轮重减载率及脱轨系数时程曲线；
[0034]
图8为车体振动加速度时程曲线；
[0035]
图9为钢轨动位移时程曲线；
[0036]
图10为钢轨动加速度时程曲线。
具体实施方式
[0037]
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，需要指出的是以下实施方式仅是以例举的形式对本发明所做的解释性说明，所有本领域技术人员以本发明的精神对本发明所做的等效的替换均落入本发明的保护范围。
[0038]
实施例
[0039]
基于联合仿真的盾构下穿高铁跨线桥动力响应建模分析方法，包括如下步骤：
[0040]
s1，建立下部盾构开挖子模型和上部动力耦合子模型：
[0041]
建立下部盾构开挖子模型：根据工程设计资料，采用abaqus有限元软件建立盾构下穿高铁跨线桥的下部盾构开挖子模型；下部盾构开挖子模型建模的具体方法如下：
[0042]
s11，建立几何模型：下部盾构开挖子模型的尺寸根据工程设计资料结合盾构施工的影响范围进行选取；在本实施例中，下部盾构开挖子模型自上而下主要包括高铁跨线桥、地层、盾构隧道，其中盾构隧道从内而外包括管片、盾壳、注浆层；
[0043]
s12，赋予材料属性：地层材料采用mohr-coulomb本构模型，根据设计资料对地层分层赋予不同土体材料信息，高铁跨线桥、盾构隧道等其余材料均采用线弹性本构模型；
[0044]
s13，添加荷载和边界条件：对模型施加重力荷载，模型四周约束其水平位移，底部
约束其竖向位移，桥墩上表面施加与高铁跨线桥上部结构重量等效的均布荷载；
[0045]
s14，盾构开挖模拟：采用abaqus软件中的生死单元法实现盾构开挖模拟；在开挖前先进行地应力平衡，模拟时以四环管片宽度(6m)为一个开挖步，每个开挖步主要包括：隧道土体开挖、盾壳激活、注浆层生成、以及注浆压力和支护压力的模拟等，为模拟注浆材料的硬化过程，采用改变场变量的方法对注浆层设置了初凝和终凝两种属性，以实现注浆层在不同开挖步中弹性模量的变化；具体的，请参阅图2和图3，盾构开挖模拟流程包括：先移除一个开挖步内的土体，再激活相应位置的盾壳单元，在开挖面上施加支护压力，然后激活注浆层单元(初凝)并施加环向注浆压力，之后进行下一步开挖(移除下一个开挖步内的土体)，将上一步盾壳单元、支护压力和注浆压力取消激活，将注浆层单元(初凝)替换成注浆层单元(终凝)，重复以上步骤直至双线隧道开挖完成；
[0046]
s15，模型网格划分：如图4所示，模型中距盾构影响区域越近模型网格划分得越密，其中盾壳采用s4r壳单元类型，高铁跨线桥、地层、管片、注浆层等采用c3d8r六面体线性单元，模型总共划分400166个节点、324032个单元。
[0047]
建立上部动力耦合子模型：在matlab数值分析软件中通过编程语言建立列车-轨道的上部动力耦合子模型；上部动力耦合子模型括列车车辆模型，轨道结构模型和轮轨接触模型；其中，列车车辆采用具有二系悬挂的整车，列车车辆模型包括车体、转向架和轮对，如图5所示；车体和转向架在空间振动有侧滚、侧摆、点头、摇头、沉浮5个自由度，每组轮对考虑侧摆、沉浮2个自由度，车辆系统在空间振动时共有23个自由度；轨道结构模型采用无砟轨道，如图6所示，轨道结构模型由上至下分别包括钢轨和轨道板，不同单元之间通过线性弹簧-阻尼单元连接；轮轨接触模型基于轮轨空间动态耦合关系和能量变分法原理，从轮轨非线性法向弹性力和切向蠕滑力中导出轮轨空间动态耦合矩阵以构建形成。
[0048]
s2，联合仿真计算：在下部盾构开挖至不同开挖步时，分别计算出下部盾构开挖子模型在不同开挖步下各节点的位移、质量、刚度、阻尼及荷载的矩阵信息并导入到上部动力耦合子模型中，之后基于车轨系统动力学运动方程按下式对列车系统和轨道系统的振动加速度、速度和位移进行联合求解：
[0049][0050]
其中，
[0051]
式中，下标v和t分别表示列车系统和轨道系统；m
vv
、m
tt
分别表示列车系统和轨道系统的质量矩阵；c
vv
、c
vt
、c
tv
、c
tt
分别表示列车系统、列车系统对轨道系统、轨道系统对列车系统、轨道系统的相互作用阻尼矩阵；k
vv
、k
vt
、k
tv
、k
tt
分别表示列车系统、列车系统对轨道系统、轨道系统对列车系统、轨道系统的相互作用刚度矩阵；fv和f
t
分别表示列车系统和轨道系统荷载列阵；系统荷载列阵；分别表示列车系统的振动加速度、速度和位移向量；分别表示轨道系统的振动加速度、速度和位移向量；w
i,k
为列车轴重；下标i和k分别表示第i节车辆和第i节车辆的第k位轮对；上标d表示转置；
[0052]
s3，动力性能评价分析：基于步骤s2的联合求解结果进行列车行车安全平稳性和结构动力响应的评价分析；
[0053]
其中，对于列车行车安全平稳性分析：采用轮轨力、脱轨系数和轮重减载率评价列车行车安全性，采用车体振动加速度评价列车行车平稳性；本发明中，车体振动加速度可根据步骤s2求出，轮轨力(横向力和垂向力)可通过s1步骤中的轮轨接触模型求出，而脱轨系数、轮重减载率可根据轮轨力求出；其中，脱轨系数是指某一时刻车轮作用在钢轨上的横向力与其垂向力的比值，以用于评定车辆的车轮轮缘在横向力作用下是否会爬上轨头而脱轨。轮重减载率为轮重减载量与该轴平均静轮重的比值，用于评定因轮重减载过大而引起脱轨的另一种脱轨安全指标。通常情况下，为保证列车行车安全性，轮重减载率应小于规范限值(车速≤160km/h时为0.65、车速＞160km/h时为0.8)，脱轨系数应满足小于0.8的规范要求。车体振动加速度用于评价列车的运行品质即平稳性，车体横向和垂向振动加速度均小于规范要求2.5m/s2的限值。在一个具体的实施方案中，如图7和图8所示，利用本发明方法基于联合仿真进行建模分析，可获得盾构下穿高铁跨线桥的情况下列车行车时的轮重减载率及脱轨系数时程曲线，以及车体振动加速度时程曲线，从而可知晓列车行车过程中脱轨系数、轮重减载率和车体振动加速度的变化情况，以评价分析列车行车安全性和平稳性；另外，由图7和图8可知，盾构开挖后将对列车运行造成附加影响，车体振动加速度和轮轨力与运行速度呈现正相关，轨道结构的振动加速度和动位移受盾构开挖影响，在经过跨线桥上方出现明显增大。因此，可对列车采取降速或加固地层等针对性措施，以减小盾构开挖对列车运行造成的影响。
[0054]
其中，对于结构动力响应分析，基于既有高铁结构，从上到下依次采用钢轨、轨道板、高铁跨线桥的动位移和动加速度指标对结构动力响应进行评价分析。在一个具体的实施方案中，如图9和图10所示，利用本发明方法基于联合仿真进行建模分析，可获得盾构下穿高铁跨线桥的情况下，钢轨动位移时程曲线和钢轨动加速度时程曲线，从而可知晓列车行车过程中钢轨动位移、钢轨动加速度的变化情况，以对结构动力响应进行评价分析。