[发明专利]一种列车动载下隧道—车辆耦合振动的有限元分析方法

说明书

本发明提出了一种列车动载下隧道—车辆耦合振动的有限元分析方法，涉及自动化辅助设计领域。包括以下步骤：(1)对隧道开挖前全基岩三维有限元模型进行静力分析；(2)基于车速和耦合理论建立基岩—衬砌—基床耦合系统三维有限元模型；(3)使用初应力法消除耦合系统初始位移；(4)自动化模拟列车运行时程荷载；(5)对耦合系统自动施加列车运行时程荷载并计算。本发明使用软件中程序编制器，并基于车速和有限元耦合原理，自动化施加列车随时空变化的动荷载，简化建模程序，减小计算工作量，适用于在列车动载作用下的盾构隧道的安全性能鉴定问题。

技术领域

本发明涉及自动化辅助设计领域，特别涉及到一种列车动载下隧道—车辆耦 合振动的有限元分析方法。

背景技术

随着我国国民经济的持续快速发展，不断膨胀的人口数量与日益恶化的交通 状况之间的矛盾日益突出。在巨大的交通压力下，地铁、城际列车等轨道交通线 路剧增。列车在隧道穿行过程中会产生随时间和空间变化的动荷载，并通过基床 传递至隧道衬砌。列车动载对基岩—衬砌—基床耦合系统的影响，是评价隧道安 全性能的重要指标。

此类隧道工程的共同特点是线路长体量大，不确定性因素多，通过现场试验 获取结构响应的周期较长，数据离散性大。有限元时程分析法是分析此类时程响 应问题的最便捷方法。其主要操作方法为，基于基岩—衬砌—基床耦合模型，导 入列车动荷载函数以较准确地模拟列车的振动效应，开展动力时程分析，提取耦 合系统的受力及变形效应。

由于隧道结构线路长，模型大，需结合列车运行速度确定模型网格尺寸，并 通过耦合技术减小模型规模；且列车荷载加载的时程长、空间变化快，依靠用户 界面手动加载无法模拟荷载随时空的变化。目前，虽有文献针对参考英国铁路技 术中心的轨道不平顺模型确定的列车荷载激振力函数加以介绍，但未有在有限元 分析环境下，对基于该函数建立耦合系统模型具体方法和列车时程荷载自动化施 加技术的系统阐述。

发明内容

本发明解决的技术问题是：本发明提出了一种列车动载下隧道—车辆耦合振 动的有限元分析方法，依托ANSYS软件APDL语言的程序编制功能,解决耦合 技术下的模型建立及自动化施加列车时程荷载的难题。

本发明的技术方案是：

一种列车动载下隧道—车辆耦合振动的有限元分析方法，包括以下步骤：

步骤1：由基岩分层及材质，确定模型单元类型及形状、材料属性等，建立 隧道开挖前全基岩三维有限元模型1，并开展重力作用下的静力分析，以iswrite 命令将全模型节点应力和变形结果存入文件1；

此项分析目的为，提取衬砌外围岩层重力作用下的初应力和初位移，通过初 应力平衡法，在后继步骤3中消除基岩—衬砌—基床耦合系统的重力初始位移， 并保留衬砌外围岩层的初始应力。建模时，需将环形衬砌及衬砌内中空隧道对应 的开挖部位均填充原始岩层，并做好实体及网格切分。

步骤2：将步骤1建立的全基岩三维模型1另存生成新模型，依次开挖土体， 建立衬砌和基床，建立粘弹性人工边界，形成基岩—衬砌—基床耦合系统三维有 限元模型2，加载APDL语言自编程序，基于节点耦合理论，实现隧道衬砌与基 床衔接；

步骤3：针对基岩—衬砌—基床耦合系统三维有限元模型2，使用初应力平 衡法，利用isfile命令调入文件1中衬砌层外围基岩节点的应力和变形结果，消 除基岩—衬砌—基床耦合系统重力作用下的累积变形，并引入岩层与衬砌接触面 上的初始应力；

步骤4：加载APDL语言自编程序，基于轨道不平顺激振力函数，模拟列车 运行时程荷载；

步骤5：加载APDL语言自编程序，对耦合系统施加列车运行时程荷载并计 算。