高速鐵路隧道緩沖結(jié)構(gòu)氣動(dòng)載荷與結(jié)構(gòu)應(yīng)力特性分析1)

王英學(xué)高 波 任文強(qiáng)

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031)

高速鐵路隧道緩沖結(jié)構(gòu)氣動(dòng)載荷與結(jié)構(gòu)應(yīng)力特性分析1)

王英學(xué)2)高 波 任文強(qiáng)

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031)

高速列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)，會(huì)引起車(chē)隧氣動(dòng)效應(yīng).在隧道洞口設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)是簡(jiǎn)便有效的應(yīng)對(duì)措施之一.而緩沖結(jié)構(gòu)一般設(shè)置在隧道洞口，列車(chē)通過(guò)隧道產(chǎn)生氣動(dòng)載荷對(duì)該結(jié)構(gòu)的影響也不容忽視.本文采用數(shù)值方法，利用Ansys軟件的workbench模擬平臺(tái)，對(duì)列車(chē)通過(guò)隧道產(chǎn)生的氣動(dòng)載荷作用在頂部單開(kāi)口緩沖結(jié)構(gòu)上的壓應(yīng)力變化進(jìn)行模擬.研究結(jié)果表明：氣動(dòng)載荷所引起的結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力作用明顯.當(dāng)行車(chē)速度為350km/h時(shí)，附加應(yīng)力可以達(dá)到80kPa，而緩沖結(jié)構(gòu)開(kāi)口周?chē)蔀闅鈩?dòng)載荷附加應(yīng)力集中區(qū).對(duì)于雙線隧道，近車(chē)壁面與遠(yuǎn)車(chē)壁面的附加壓應(yīng)力規(guī)律一致，但近車(chē)側(cè)應(yīng)力值要大于遠(yuǎn)車(chē)側(cè).與壓力波在隧道內(nèi)的傳播特性類似，氣動(dòng)載荷所引起的附加壓應(yīng)力具有往復(fù)傳播特征.另外，對(duì)頂部緩沖結(jié)構(gòu)開(kāi)口附近出現(xiàn)附加應(yīng)力集中的原因進(jìn)行了分析，確定緩沖結(jié)構(gòu)形式是引起應(yīng)力集中的決定因素.以上結(jié)論對(duì)隧道洞口緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及安全巡查具有一定的指導(dǎo)意義.

高速列車(chē)，隧道，緩沖結(jié)構(gòu)，氣動(dòng)載荷，流固耦合

引言

隨著列車(chē)速度的提升，由高速所帶來(lái)的問(wèn)題越來(lái)越明顯，其中安全問(wèn)題尤為突出.當(dāng)高速列車(chē)進(jìn)入隧道時(shí)，其過(guò)程可近似描述成活塞運(yùn)動(dòng).高速列車(chē)由三維的半無(wú)限空間進(jìn)入隧道有限空間時(shí)，空間體積的突變使得高速列車(chē)擠壓空氣產(chǎn)生壓縮波和膨脹波，波在隧道內(nèi)往復(fù)傳播.隧道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期在應(yīng)力波作用下，易發(fā)生疲勞破壞.為了緩解洞口微壓波的破壞作用，一方面洞口的緩沖結(jié)構(gòu)會(huì)設(shè)置多個(gè)開(kāi)口，使結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度有所降低;另一方面，因洞口結(jié)構(gòu)形式多為明洞，故其受力狀態(tài)較之洞身更為不利.因此，洞口緩沖結(jié)構(gòu)段氣動(dòng)載荷特性是隧道結(jié)構(gòu)的分析重點(diǎn)，有必要開(kāi)展相關(guān)的研究.

針對(duì)隧道的氣動(dòng)壓力峰值與隧道結(jié)構(gòu)安全性，一些學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)研究.

趙晶[1]和馮志鵬等[2]采用數(shù)值方法對(duì)單輛列車(chē)通過(guò)隧道及兩輛高速列車(chē)在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)，隧道內(nèi)流場(chǎng)情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了隧道內(nèi)壓力波的變化規(guī)律以及隧道、列車(chē)車(chē)窗受力情況.

馬偉斌等[3]綜合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)高速鐵路隧道氣動(dòng)效應(yīng)的研究進(jìn)展?fàn)顩r進(jìn)行了探討，分析了動(dòng)車(chē)組通過(guò)隧道及交會(huì)條件下車(chē)體、隧道內(nèi)的壓力波動(dòng)及洞口微壓波隨速度的變化規(guī)律.

馬云東等[4]和范斌[5]從混凝土細(xì)觀力學(xué)的角度出發(fā)，對(duì)高速列車(chē)運(yùn)行條件下隧道襯砌拱頂混凝土的力學(xué)特性進(jìn)行了模擬，獲得了不同時(shí)刻的應(yīng)力狀態(tài),為隧道的耐久性分析提供了重要參考.

關(guān)于車(chē)隧氣動(dòng)效應(yīng)的治理及隧道緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，已有大量的研究和許多成果[6-9].楊國(guó)偉等[10]對(duì)高速列車(chē)的隧道、車(chē)輛、軌道等關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了歸納分析，總結(jié)了我國(guó)在高速鐵路領(lǐng)域取得的成果.

從上面的調(diào)研分析可以看出，隧道結(jié)構(gòu)氣動(dòng)載荷問(wèn)題已經(jīng)引起了廣大學(xué)者的重視，但是對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)洞口段，特別是對(duì)緩沖結(jié)構(gòu)氣動(dòng)載荷特性的研究還相對(duì)較少，本文將針對(duì)緩沖結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)特性進(jìn)行分析，確定緩沖結(jié)構(gòu)的薄弱部位，以便為工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo).

1 分析理論和計(jì)算方法

車(chē)隧氣動(dòng)耦合分析涉及對(duì)列車(chē)進(jìn)入隧道時(shí)的流場(chǎng)分析和壓緩沖結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力場(chǎng)分析.結(jié)構(gòu)分析主要包括結(jié)構(gòu)自重應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算以及結(jié)構(gòu)在氣動(dòng)壓力作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分析.氣動(dòng)壓力的分析和計(jì)算是關(guān)鍵，下面對(duì)分析理論和計(jì)算方法做簡(jiǎn)要介紹.

1.1 流場(chǎng)分析理論與計(jì)算模型

在進(jìn)行流場(chǎng)分析時(shí)，主要通過(guò)求解Navier-Stokes方程得到流場(chǎng)特性，其中湍流模式的選取是一項(xiàng)重要因素.不同學(xué)者在車(chē)隧氣動(dòng)分析中，所選取的湍流模型和方法略有差別，比較常用的有k-ε模型[11]及大渦模擬(large eddy simulation,LES)方法[12]等.為了模擬湍流運(yùn)動(dòng)，一方面要求計(jì)算區(qū)域的尺度應(yīng)大到足以包含湍流運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)的最大渦，另一方面要求計(jì)算網(wǎng)格的尺度小到足以分辨最小渦的運(yùn)動(dòng).然而，就目前的計(jì)算機(jī)能力而言，能夠采用的計(jì)算網(wǎng)格的最小尺度仍比最小渦的尺度大許多.LSE就是放棄對(duì)全尺度范圍上渦的運(yùn)動(dòng)模擬，只將比網(wǎng)格尺度大的紊流運(yùn)動(dòng)通過(guò)Navier-Stokes方程直接計(jì)算出來(lái)，這樣在保證計(jì)算精度的同時(shí)，使計(jì)算工作量大大降低.從目前的應(yīng)用情況來(lái)看，該方法的優(yōu)勢(shì)是顯著的.但由于其計(jì)算的渦尺寸與模型網(wǎng)格是相關(guān)的，因此為了保證精度，對(duì)網(wǎng)格尺寸的要求較高.本文將采用LES方法進(jìn)行計(jì)算，在保證整體網(wǎng)格尺度滿足計(jì)算需要的同時(shí)，對(duì)壓力梯度變化較大的關(guān)鍵部位進(jìn)行網(wǎng)格加密處理.

1.2 列車(chē)進(jìn)出隧道過(guò)程的網(wǎng)格劃分

高速列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)，邊界條件是不斷變化的.文中采用Fluent軟件進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算，該軟件提供了兩種網(wǎng)格技術(shù)能很好地模擬列車(chē)與隧道的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即滑移網(wǎng)格技術(shù)和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)[13].

滑移網(wǎng)格模型允許相鄰網(wǎng)格間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而且網(wǎng)格界面上的節(jié)點(diǎn)無(wú)需對(duì)齊，即網(wǎng)格交界面是非正則的.在使用滑移網(wǎng)格模型時(shí)，計(jì)算網(wǎng)格界面上的通量需要考慮相鄰網(wǎng)格間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以及由運(yùn)動(dòng)形成的重疊區(qū)域的變化過(guò)程.

動(dòng)網(wǎng)格模型可以用來(lái)模擬流場(chǎng)形狀由于邊界運(yùn)動(dòng)而隨時(shí)間發(fā)生的改變.邊界的運(yùn)動(dòng)形式可以是預(yù)先定義的運(yùn)動(dòng)，即可以在計(jì)算前指定其速度或角速度；也可以是預(yù)先未做定義的運(yùn)動(dòng)，即邊界的運(yùn)動(dòng)由前一步的計(jì)算結(jié)果決定.

滑移網(wǎng)格法不涉及網(wǎng)格的重新劃分，而動(dòng)網(wǎng)格法需要根據(jù)計(jì)算步的推進(jìn)，重新劃分網(wǎng)格，因此，相對(duì)而言，滑動(dòng)網(wǎng)格的計(jì)算速度要快得多.但因?yàn)榛瑒?dòng)網(wǎng)格是通過(guò)區(qū)域網(wǎng)格界面?zhèn)鬟f計(jì)算參數(shù)的，所以在網(wǎng)格交界面處的計(jì)算結(jié)果有一定差異.

為充分利用這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，在網(wǎng)格劃分上將中間包含列車(chē)的區(qū)域定義為動(dòng)網(wǎng)格區(qū)，而把包含隧道和出入口的空氣區(qū)域定義為滑移網(wǎng)格區(qū)域.

1.3 車(chē)隧氣動(dòng)耦合分析方法

流固耦合力學(xué)是流體力學(xué)與固體力學(xué)交叉而生成的一門(mén)力學(xué)分支.邢景棠等[14]認(rèn)為流固耦合問(wèn)題按其耦合機(jī)理可分為兩大類.第一大類問(wèn)題的特征是兩相域部分或全部重疊在一起,難以明顯地區(qū)分.第二大類問(wèn)題的特征是耦合作用僅僅發(fā)生在兩相交界面上.車(chē)隧氣動(dòng)--結(jié)構(gòu)耦合就屬于第二類問(wèn)題，對(duì)該問(wèn)題可以采用如下三種方法進(jìn)行加載分析.

1.3.1 靜力法

該方法常在地鐵及隧道的抗震設(shè)計(jì)中采用[15].即在抗震襯砌結(jié)構(gòu)橫截面的設(shè)計(jì)中和穩(wěn)定性檢算中，采用地震系數(shù)或慣性力法.在氣動(dòng)載荷結(jié)構(gòu)分析時(shí)，也可借鑒此方法，即將車(chē)隧氣動(dòng)流場(chǎng)分析中得到的緩沖結(jié)構(gòu)在每個(gè)壁面的壓力峰值加到各個(gè)面上去，進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算.

1.3.2 擬動(dòng)力方法

流固耦合分析方法還可以分為兩種：?jiǎn)蜗蛄鞴恬詈戏治龊碗p向流固耦合分析[16].本文研究單向耦合問(wèn)題，即流場(chǎng)作用所引起的結(jié)構(gòu)變形，對(duì)流場(chǎng)分析可以忽略不計(jì)，只考慮流場(chǎng)變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，而不必考慮結(jié)構(gòu)變形對(duì)流場(chǎng)的影響.因此，可以通過(guò)流體動(dòng)力計(jì)算，得到各個(gè)截面氣動(dòng)壓力的波動(dòng)數(shù)據(jù)，在結(jié)構(gòu)計(jì)算中，將流場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的氣動(dòng)壓力加載到結(jié)構(gòu)上，得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律.該方法將氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)計(jì)算分開(kāi)進(jìn)行，在沒(méi)有多場(chǎng)耦合分析平臺(tái)時(shí)，也是可行的.

1.3.3 多場(chǎng)耦合平臺(tái)分析法

利用多場(chǎng)耦合分析平臺(tái)，將流體計(jì)算的壓力直接加載到結(jié)構(gòu)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)流場(chǎng)耦合動(dòng)力分析.該方法利用已有的耦合軟件或自編程序接口，實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)分析和結(jié)構(gòu)分析之間的數(shù)據(jù)傳遞.能夠進(jìn)行該耦合計(jì)算的軟件平臺(tái)有Mpcci軟件、Ansys軟件等，許多學(xué)者通過(guò)上述軟件開(kāi)展了相關(guān)的耦合分析[16-18]，都取得了良好的效果.本文將采用Ansys軟件的耦合分析平臺(tái)開(kāi)展相關(guān)的分析.

2 隧道緩沖結(jié)構(gòu)參數(shù)研究

2.1 基本參數(shù)擬定

車(chē)隧氣動(dòng)載荷分析可分為兩個(gè)部分：列車(chē)進(jìn)入隧道氣動(dòng)載荷的計(jì)算及氣動(dòng)載荷對(duì)結(jié)構(gòu)影響的計(jì)算.

在流體計(jì)算中，選取隧道斷面為100m2，如圖1所示.列車(chē)采用CRH3列車(chē)，列車(chē)車(chē)頭網(wǎng)格如圖2所示.隧道長(zhǎng)度取500m，車(chē)長(zhǎng)100m，列車(chē)進(jìn)入隧道前距隧道入口100m，計(jì)算區(qū)域總體長(zhǎng)度1100m，計(jì)算模型尺寸如圖3所示.

對(duì)于頂部設(shè)置單一開(kāi)口的緩沖結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，施工比較方便.在合理的開(kāi)口參數(shù)下，其壓力梯度降低率會(huì)取得較好的值.為此有必要對(duì)其開(kāi)口參數(shù)進(jìn)行研究.

圖1 隧道斷面圖1-隧道中線，2-線路中線，3-安全空間，4-救援通道，5-內(nèi)軌頂面Fig.1 Tunnel cross-section1-tunnel central line,2-rail trak centerline,3-safety space,4-rescue channel,5-the top of inner rail

圖2 列車(chē)模型網(wǎng)格圖Fig.2 Numeral model grid mesh of the train

圖3 計(jì)算模型尺寸布置示意圖(單位：m)Fig.3 Numeral simulation model dimension(unit：m)

為研究最優(yōu)開(kāi)口率，需要保持開(kāi)口寬度和開(kāi)口距明洞入口距離不變，其速度為350km/h.

洞口緩沖結(jié)構(gòu)選取頂部單開(kāi)口緩沖結(jié)構(gòu)，模型網(wǎng)格及結(jié)構(gòu)尺寸如圖4和圖5所示.在結(jié)構(gòu)計(jì)算平臺(tái)中的緩沖結(jié)構(gòu)網(wǎng)格如圖6所示.

圖4 流場(chǎng)分析中的隧道緩沖結(jié)構(gòu)網(wǎng)格Fig.4 Tunnel hood grid mesh of fluen model

圖5 隧道緩沖結(jié)構(gòu)開(kāi)口尺寸(單位：m)Fig.5 Tunnel hood opening dimension(unit：m)

圖6 隧道緩沖結(jié)構(gòu)計(jì)算網(wǎng)格Fig.6 Tunnel hood grid mesh of structure model

在對(duì)緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行氣動(dòng)載荷分析時(shí)，結(jié)構(gòu)厚度取0.5m，計(jì)算中的其他力學(xué)參數(shù)如表1所示.

表1 緩沖結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)Table 1 Tunnel hood structure mechanics parameter

2.2 計(jì)算結(jié)果

采用靜力法、擬動(dòng)力法對(duì)列車(chē)經(jīng)過(guò)隧道所產(chǎn)生的氣動(dòng)載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行分析[19]，結(jié)果顯示：靜力法計(jì)算氣動(dòng)載荷所引起的額外應(yīng)力增加值為30kPa左右，而擬動(dòng)力法計(jì)算氣動(dòng)載荷所引起的額外應(yīng)力增加值可以達(dá)到60kPa.下文將只針對(duì)耦合分析法引起的應(yīng)力情況進(jìn)行分析.

在列車(chē)進(jìn)入隧道緩沖結(jié)構(gòu)段時(shí)刻，不同計(jì)算平臺(tái)得到的車(chē)頭周?chē)鷫毫?chǎng)和緩沖結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)分布如圖7所示.從圖中可以看到，隧道緩沖結(jié)構(gòu)的拱頂部位在自重場(chǎng)作用下的應(yīng)力較大，且結(jié)構(gòu)的破壞易引發(fā)較嚴(yán)重的事故.另一方面隧道緩沖結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)所受到的影響必然強(qiáng)于外側(cè).因此，對(duì)緩沖結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)拱頂中線各點(diǎn)的壓應(yīng)力變化進(jìn)行分析.

圖7 列車(chē)進(jìn)入隧道引起的壓力場(chǎng)和緩沖結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)云圖(t=1.0s,單位：Pa)Fig.7 Pressure and stress contour graphics induced by train entering tunnel hood(t=1.0s,unit：Pa)

圖7 列車(chē)進(jìn)入隧道引起的壓力場(chǎng)和緩沖結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)云圖(t=1.0s,單位：Pa)(續(xù))Fig.7 Pressure and stress contour graphics induced by train entering tunnel hood(t=1.0s,unit：Pa)(continued)

根據(jù)緩沖結(jié)構(gòu)開(kāi)口位置的設(shè)置(如圖5)，緩沖結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)15m，0～4m區(qū)段為緩沖結(jié)構(gòu)洞外到開(kāi)口區(qū)段，定義為開(kāi)口前區(qū)段；4～13m為開(kāi)口區(qū)段；13～15m為開(kāi)口至隧道區(qū)段，定義為開(kāi)口后區(qū)段.關(guān)于拱頂中線的壓應(yīng)力，僅對(duì)0～4m區(qū)段，13～15m區(qū)段進(jìn)行分析.在隧道緩沖結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)拱頂中心線設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，計(jì)算得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的附加壓應(yīng)力的時(shí)程曲線，如圖8所示.

圖8 緩沖結(jié)構(gòu)拱頂中心線附加壓應(yīng)力變化時(shí)程曲線Fig.8 Extra-pressure stress-time relative graphics on top zone of hood

在計(jì)算中選取雙線隧道(如圖1)，以隧道中心線為坐標(biāo)原點(diǎn)，列車(chē)行進(jìn)方向?yàn)閦軸方向，則離列車(chē)較近的為-x側(cè).為比較列車(chē)因離隧道緩沖結(jié)構(gòu)壁面距離不同所引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力差異，對(duì)于距離地面高2.5m處壁面靠近列車(chē)一側(cè)(-x側(cè))和遠(yuǎn)離列車(chē)一側(cè)(+x側(cè))分別選取測(cè)點(diǎn)，分析其壓應(yīng)力變化.計(jì)算得到緩沖結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)邊壁沿行車(chē)方向的附加壓應(yīng)力的時(shí)程曲線，如圖9所示.緩沖結(jié)構(gòu)壁面壓應(yīng)力峰值與距隧道緩沖結(jié)構(gòu)洞口距離的相關(guān)曲線如圖10所示.

圖9 緩沖結(jié)構(gòu)側(cè)壁壓應(yīng)力變化時(shí)程曲線Fig.9 History curves of extra-pressure stress on the side zone of hood

圖10 緩沖結(jié)構(gòu)壁面首個(gè)附加壓應(yīng)力峰值與距洞口距離相關(guān)曲線Fig.10 The correlation curves between the firs peak of extra-pressure stress and the distance to hood entrance

2.3 結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)列車(chē)進(jìn)入隧道緩沖結(jié)構(gòu)段氣動(dòng)載荷與結(jié)構(gòu)應(yīng)力特征進(jìn)行了分析,所得到的相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出：

(1)采用耦合計(jì)算得到的氣動(dòng)載荷附加壓應(yīng)力值大于擬動(dòng)力方法所得到的結(jié)果.

擬動(dòng)力方法計(jì)算得到的氣動(dòng)載荷附加應(yīng)力值為60kPa，而采用耦合計(jì)算所得到的附加應(yīng)力值達(dá)到80kPa.

(2)隧道緩沖結(jié)構(gòu)拱頂開(kāi)口部位屬于氣動(dòng)載荷附加應(yīng)力集中區(qū).

圖8顯示：通過(guò)隧道軸向分析，在緩沖結(jié)構(gòu)拱頂中線處，由洞外到緩沖結(jié)構(gòu)開(kāi)口區(qū)段及由隧道內(nèi)部向緩沖結(jié)構(gòu)開(kāi)口位置區(qū)段，氣動(dòng)載荷引起的附加壓應(yīng)力都是逐漸增大的.圖10顯示：按隧道環(huán)向分析，在隧道洞口起點(diǎn)(x=0)，隧道拱頂及側(cè)部壓應(yīng)力峰值比較接近，而在開(kāi)口位置(x=4m，x=13m)處，拱頂出現(xiàn)高壓應(yīng)力.

依據(jù)壓縮波的產(chǎn)生規(guī)律，在列車(chē)進(jìn)入隧道的一定范圍內(nèi)，壓縮波峰值是逐漸增加的，這與圖8和圖10顯示的在緩沖結(jié)構(gòu)開(kāi)口位置出現(xiàn)的壓應(yīng)力集中現(xiàn)象是不相符的.

本文認(rèn)為：氣動(dòng)載荷所引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要取決于結(jié)構(gòu)形式.在開(kāi)口位置結(jié)構(gòu)薄弱，必然引起應(yīng)力集中.另外，同樣在拱頂開(kāi)口邊界，x=13m處的壓應(yīng)力要大于x=4m處.從結(jié)構(gòu)上分析：4m處前面有4m完整的隧道結(jié)構(gòu)，而x=13m處后面只有2m的完整隧道結(jié)構(gòu).這是引起應(yīng)力差異的內(nèi)在原因.

(3)氣動(dòng)載荷在隧道壁面兩側(cè)所引起的附加應(yīng)力規(guī)律一致，靠近列車(chē)一側(cè)壓應(yīng)力略高.

圖9顯示：在靠近列車(chē)一側(cè)，列車(chē)通過(guò)所形成的首波附加壓應(yīng)力及車(chē)尾經(jīng)過(guò)(t=2s)引起的壓應(yīng)力絕對(duì)值均要大于遠(yuǎn)離列車(chē)一側(cè)對(duì)應(yīng)的附加壓應(yīng)力值，且有多個(gè)波峰和波谷.對(duì)比圖9與圖8可知，兩者波峰和波谷的出現(xiàn)時(shí)刻基本上是一致的，但是拱頂處的波峰和波谷值更大.

(4)列車(chē)通過(guò)隧道在緩沖結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面所產(chǎn)生的氣動(dòng)載荷是波動(dòng)變化的，車(chē)頭經(jīng)過(guò)時(shí)為正壓力，車(chē)尾經(jīng)過(guò)時(shí)為負(fù)壓力.

結(jié)合壓縮波在隧道內(nèi)的傳播特性，計(jì)算結(jié)果表明氣動(dòng)載荷所引起的附加壓應(yīng)力也具有往復(fù)傳播的特性.

依據(jù)列車(chē)車(chē)速及波速計(jì)算，車(chē)尾在t=2s時(shí)刻附近到達(dá)隧道緩沖結(jié)構(gòu).列車(chē)進(jìn)入隧道時(shí)產(chǎn)生壓縮波，到達(dá)隧道出口后轉(zhuǎn)換為膨脹波(負(fù)壓波)，在t=4s時(shí)刻附近再次傳播到緩沖結(jié)構(gòu)位置(壓縮波傳播速度為340m/h，壓縮波傳播、反射回到緩沖結(jié)構(gòu)區(qū)段往返行程為1000m).圖8中的壓應(yīng)力時(shí)程曲線可體現(xiàn)這些規(guī)律.

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)列車(chē)經(jīng)過(guò)隧道緩沖結(jié)構(gòu)段氣動(dòng)載荷--結(jié)構(gòu)應(yīng)力特性分析，得出如下結(jié)論：

(1)采用耦合計(jì)算得到的氣動(dòng)載荷附加應(yīng)力值大于擬動(dòng)力方法所得到的結(jié)果.在列車(chē)以時(shí)速350km/h通過(guò)時(shí)，所引起的附加應(yīng)力值達(dá)到80kPa.

(2)在列車(chē)進(jìn)入隧道時(shí)，隧道緩沖結(jié)構(gòu)拱頂開(kāi)口部位屬于氣動(dòng)載荷附加應(yīng)力集中區(qū)，引起應(yīng)力集中的內(nèi)在原因是緩沖結(jié)構(gòu)形式.

(3)氣動(dòng)載荷在隧道壁面兩側(cè)所引起的附加應(yīng)力規(guī)律一致，靠近列車(chē)一側(cè)壓應(yīng)力略高.

(4)列車(chē)通過(guò)隧道在緩沖結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面所產(chǎn)生的氣動(dòng)載荷是波動(dòng)變化的，并且逐漸衰減，車(chē)頭經(jīng)過(guò)時(shí)為正壓力，車(chē)尾經(jīng)過(guò)時(shí)為負(fù)壓力.

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AERODYNAMIC LOAD AND STRUCTURE STRESS ANALYSIS ON HOOD OF HIGH-SPEED RAILWAY TUNNEL1)

Wang Yingxue2)Gao Bo Ren Wenqiang
(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu610031，China)

When high speed train passes through tunnel,aerodynamic ef f ect will be induced.Setting hood at tunnel entrance is one of the convenient and ef f ective measures for controlling aerodynamic ef f ect.While the hood usually lay at tunnel entrance,in a long run,the aerodynamic load on the structure also should not be overlooked.In this paper,using Ansys-workbench simulation platform,the flui structure coupling character induced by aerodynamic load on single top opening hood was analyzed.The research results showed that the extra-pressure stress induced by aerodynamic load was notable.To the train of running speed 350km/h,the induced extra pressure stress on hood structure can reach 80kPa. On the tunnel hood,the region around the openings appeared a relative high extra pressure stress.Since the tunnel is used for double railway line,the variation law of extra pressure stress on the tunnel hood inertial side wall of close to and far from train is almost same,while the stress pressure on inertial side wall of close to train is a little larger than thaton the other side.Like the compression wave transportation in tunnel,the extra pressure stress induced by aerodynamic load also shows reciprocating transmission characteristics.The reason of stress concentration around the hood openings was deduced and showed that hood structure condition is the intrinsic fact for resulting in the detrimental ef f ect.These conclusions on aerodynamic load are advisable for tunnel hood design and safety checking.

high-speed train,tunnel,hood,aerodynamic load,flui structure coupling

U451.3

A doi：10.6052/0459-1879-16-343

2016-11-25收稿，2016-11-28錄用,2016-12-02網(wǎng)絡(luò)版發(fā)表.

1)國(guó)家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011AA11A103-3-3-2).

2)王英學(xué)，教授，主要研究方向：隧道及地下工程.E-mail：wangyingxue@swjtu.edu.cn

王英學(xué)，高波，任文強(qiáng).高速鐵路隧道緩沖結(jié)構(gòu)氣動(dòng)載荷與結(jié)構(gòu)應(yīng)力特性分析.力學(xué)學(xué)報(bào),2017,49(1)：48-54

Wang Yingxue,Gao Bo,Ren Wenqiang.Aerodynamic load and structure stress analysis on hood of high-speed railway tunnel.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2017,49(1)：48-54