淺析交通荷載下軟土路基的動力響應(yīng)分析

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1、淺析交通荷載下軟土路基的動力響應(yīng)分析摘要：本文以某雙軟土路基為研究對象通過有限元計算軟件建立了有限元模型，研究在列車荷載作用下軟土路基的動力反應(yīng)，以及在地鐵列車振動荷載作用下軟土路基結(jié)構(gòu)的應(yīng)力相比于靜力作用下的變化規(guī)律以及各種動載作用下的軟土路基的反應(yīng)，并得出了相應(yīng)的結(jié)論。?關(guān)鍵詞：列車荷載軟土路基動力響應(yīng)分析?高速公路的建設(shè)和使用，為汽車快速、高效、安全、舒適地運行提供了良好的條件，標(biāo)志著世界公路運輸事業(yè)和科學(xué)技術(shù)水平進(jìn)入了一個嶄新的時代。隨著世界經(jīng)濟(jì)建設(shè)和交通運輸事業(yè)的發(fā)展，車流量、行車速度和載重量的不斷增加，交通荷載對路基路面的受

2、力變形特性的影響也越來越大，車輛與道路相互作用的動力學(xué)研究已發(fā)展成一個新的科學(xué)分支。路基路面設(shè)計理論由過去的靜態(tài)體系發(fā)展為動態(tài)體系己成為必然趨勢。在這種大背景下，研究交通荷載作用下風(fēng)積沙路基的動力響應(yīng)問題具有一定的現(xiàn)實意義。因此，本文將以中鐵國際川鐵公司尼日利亞分公司在尼日利亞卡諾州中標(biāo)的公路改造擴(kuò)展項目為項目背景，結(jié)合現(xiàn)場實測資料，利用有限元軟件MIDAS/GTS建立數(shù)值分析模型，施加車輛荷載，研究動力作用下路基的動力響應(yīng)。1、瞬態(tài)動力學(xué)分析方法?瞬態(tài)動力分析亦稱時間歷程分析，是用于確定承受任意隨時間變化荷載的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的一種方法。

3、可以用瞬態(tài)動力分析確定結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)荷載、瞬態(tài)動荷載和簡諧荷載的隨意組合作用下隨時間變化的位移、應(yīng)變、應(yīng)力及內(nèi)力，其基本方程如下。?道路結(jié)構(gòu)其實是一個非常復(fù)雜的體系，它由很多土層構(gòu)成，不同土層又有不同的參數(shù)和物理性質(zhì)，其對動荷載的響應(yīng)除了與本身性質(zhì)有關(guān)之外，還與交通荷載作用的特點和方式有很大關(guān)系。在實際分析中，無論是什么類型的道路結(jié)構(gòu)或是荷載作用。其中：為質(zhì)量矩陣；為阻尼矩陣；為剛度矩陣；為節(jié)點加速度向量；為節(jié)點速度向量；為節(jié)點位移向量；為隨時間變化的荷載函數(shù)。?2、建立模型?為了模擬既有軟土路基圍巖和結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)力場，本文按平面彈塑性有限

4、元理論進(jìn)行計算分析。為了把靜應(yīng)力做為施加動力荷載的初始應(yīng)力，襯砌結(jié)構(gòu)和土體均采用平面四節(jié)點單元，土體的本構(gòu)關(guān)系采用彈塑性模型。2.1有限元計算模型的建立及網(wǎng)格劃分?本文的計算模型為某城市地鐵區(qū)間近距離交疊軟土路基工程的一種典型斷面-單洞單隔板雙層斷面，軟土路基襯砌厚度為80cm，圍巖土體材料的物理力學(xué)參數(shù)見表。?圖2.1物理力學(xué)參數(shù)圖2.1為軟土路基的襯砌斷面尺寸，軟土路基水平左右兩側(cè)土體寬度取洞跨3倍，軟土路基下方土體厚度取洞高3倍，有限元計算范圍為寬×高=58m×53m。為了實現(xiàn)初始應(yīng)力的寫出與讀入，所有單元均選取PLANE42單元

5、。圍巖土體采用彈塑性DP模型。軟土路基結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置采用加密網(wǎng)格劃分，該模型共劃分1298個單元。?2.2邊界條件?有限元分析中，對靜力和動力問題需要采用不同的邊界條件，計算軟土路基的初始應(yīng)力場，屬于靜力問題計算，地層和軟土路基襯砌結(jié)構(gòu)承受的荷載主要是豎向荷載。模型可以看作平面應(yīng)變問題，每個結(jié)點有兩個自由度，可以產(chǎn)生水平向位移和豎向位移。對上面的平面有限元模型，認(rèn)為53米深度處邊界結(jié)點在兩個方向上都不能發(fā)生位移;左右邊界的單元節(jié)點在水平向位移為零，但豎向允許產(chǎn)生變形。最上部地面載荷忽略不計，同時上部地表邊界假設(shè)為自由邊界。?3、靜力計算?

6、通過求解體系的靜應(yīng)力可以找出襯砌上的危險點，應(yīng)力可以說明哪些點屬于危險點，繪出該雙層軟土路基的應(yīng)力，結(jié)合混凝土抗壓性能遠(yuǎn)高于抗拉性能，可以看出單元1149(拱頂處)、1169（下洞邊墻和仰拱連接處）、1178（仰拱中間位置）屬于危險單元，考慮到應(yīng)力集中，選取上洞邊墻和中隔板的相交單元1161也做為危險單元，從這些單元中選取具有代表性的節(jié)點1235（單元1149內(nèi)側(cè)）、節(jié)點1244（單元1161內(nèi)側(cè)）、節(jié)點1249（單元1169內(nèi)側(cè)）、節(jié)點1266（單元1178內(nèi)側(cè)）來計算并進(jìn)行比較。局部部位受拉應(yīng)力略超出混凝土的抗拉強度，可以通過適當(dāng)配

7、置鋼筋來保證混凝土不被拉壞。動力穩(wěn)定性的判別準(zhǔn)則可通過穩(wěn)定分析中各參數(shù)的變化特征建立，也可通過觀察動力平衡路徑曲線的特性來判斷：采用不同的動力穩(wěn)定性數(shù)值分析方法和不同的參數(shù)來自動控制荷載增量步長及其符號改變，因此，可相應(yīng)地建立不同的參數(shù)判定準(zhǔn)則。本文研究中嘗試采用了BR準(zhǔn)則作為結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)的判別準(zhǔn)則，BR準(zhǔn)則（又稱為運動方程法）要求計算不同荷載水平作用下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，從而獲得相對于不同荷載參數(shù)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)最大值，如果在某一荷載下，荷載的微小增量導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)響應(yīng)的顯著增長，則稱此時結(jié)構(gòu)發(fā)生動力失穩(wěn)，該荷載即被認(rèn)為是該結(jié)構(gòu)的動力穩(wěn)定性臨界荷載

8、。以逐步加大的荷載幅值作為參數(shù)，對應(yīng)每一荷載幅值做一次動力沖擊分析，記錄結(jié)構(gòu)的動力特征響應(yīng)，然后繪制荷載幅值與結(jié)構(gòu)動力特征響應(yīng)之間的關(guān)系曲線：通過該曲線可全面了解結(jié)構(gòu)隨荷載幅值增大其動力性狀不斷變化乃至失穩(wěn)