淺析交通荷載下軟土路基的動(dòng)力響應(yīng)分析

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1、淺析交通荷載下軟土路基的動(dòng)力響應(yīng)分析摘要：本文以某雙軟土路基為研究對(duì)象通過(guò)有限元計(jì)算軟件建立了有限元模型，研究在列車(chē)荷載作用下軟土路基的動(dòng)力反應(yīng)，以及在地鐵列車(chē)振動(dòng)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(dòng)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(chē)荷載軟土路基動(dòng)力響應(yīng)分析?高速公路的建設(shè)和使用，為汽車(chē)快速、高效、安全、舒適地運(yùn)行提供了良好的條件，標(biāo)志著世界公路運(yùn)輸事業(yè)和科學(xué)技術(shù)水平進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代。隨著世界經(jīng)濟(jì)建設(shè)和交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，車(chē)流量、行車(chē)速度和載重量的不斷增加，交通荷載對(duì)路基路面的受

2、力變形特性的影響也越來(lái)越大，車(chē)輛與道路相互作用的動(dòng)力學(xué)研究已發(fā)展成一個(gè)新的科學(xué)分支。路基路面設(shè)計(jì)理論由過(guò)去的靜態(tài)體系發(fā)展為動(dòng)態(tài)體系己成為必然趨勢(shì)。在這種大背景下，研究交通荷載作用下風(fēng)積沙路基的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。因此，本文將以中鐵國(guó)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(xiàng)目為項(xiàng)目背景，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，利用有限元軟件MIDAS/GTS建立數(shù)值分析模型，施加車(chē)輛荷載，研究動(dòng)力作用下路基的動(dòng)力響應(yīng)。1、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析方法?瞬態(tài)動(dòng)力分析亦稱時(shí)間歷程分析，是用于確定承受任意隨時(shí)間變化荷載的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的一種方法。

3、可以用瞬態(tài)動(dòng)力分析確定結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)荷載、瞬態(tài)動(dòng)荷載和簡(jiǎn)諧荷載的隨意組合作用下隨時(shí)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(shí)是一個(gè)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(duì)動(dòng)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(diǎn)和方式有很大關(guān)系。在實(shí)際分析中，無(wú)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(diǎn)加速度向量；為節(jié)點(diǎn)速度向量；為節(jié)點(diǎn)位移向量；為隨時(shí)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(chǎng)，本文按平面彈塑性有限

4、元理論進(jìn)行計(jì)算分析。為了把靜應(yīng)力做為施加動(dòng)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(diǎn)單元，土體的本構(gòu)關(guān)系采用彈塑性模型。2.1有限元計(jì)算模型的建立及網(wǎng)格劃分?本文的計(jì)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(jiàn)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(jì)算范圍為寬×高=58m×53m。為了實(shí)現(xiàn)初始應(yīng)力的寫(xiě)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(gè)單元。?2.2邊界條件?有限元分析中，對(duì)靜力和動(dòng)力問(wèn)題需要采用不同的邊界條件，計(jì)算軟土路基的初始應(yīng)力場(chǎng)，屬于靜力問(wèn)題計(jì)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(wèn)題，每個(gè)結(jié)點(diǎn)有兩個(gè)自由度，可以產(chǎn)生水平向位移和豎向位移。對(duì)上面的平面有限元模型，認(rèn)為53米深度處邊界結(jié)點(diǎn)在兩個(gè)方向上都不能發(fā)生位移;左右邊界的單元節(jié)點(diǎn)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(jì)，同時(shí)上部地表邊界假設(shè)為自由邊界。?3、靜力計(jì)算?

6、通過(guò)求解體系的靜應(yīng)力可以找出襯砌上的危險(xiǎn)點(diǎn)，應(yīng)力可以說(shuō)明哪些點(diǎn)屬于危險(xiǎn)點(diǎn)，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(xiǎn)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(xiǎn)單元，從這些單元中選取具有代表性的節(jié)點(diǎn)1235（單元1149內(nèi)側(cè)）、節(jié)點(diǎn)1244（單元1161內(nèi)側(cè)）、節(jié)點(diǎn)1249（單元1169內(nèi)側(cè)）、節(jié)點(diǎn)1266（單元1178內(nèi)側(cè)）來(lái)計(jì)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(qiáng)度，可以通過(guò)適當(dāng)配

7、置鋼筋來(lái)保證混凝土不被拉壞。動(dòng)力穩(wěn)定性的判別準(zhǔn)則可通過(guò)穩(wěn)定分析中各參數(shù)的變化特征建立，也可通過(guò)觀察動(dòng)力平衡路徑曲線的特性來(lái)判斷：采用不同的動(dòng)力穩(wěn)定性數(shù)值分析方法和不同的參數(shù)來(lái)自動(dòng)控制荷載增量步長(zhǎng)及其符號(hào)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(dòng)力失穩(wěn)的判別準(zhǔn)則，BR準(zhǔn)則（又稱為運(yùn)動(dòng)方程法）要求計(jì)算不同荷載水平作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，從而獲得相對(duì)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(zhǎng)，則稱此時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生動(dòng)力失穩(wěn)，該荷載即被認(rèn)為是該結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(duì)應(yīng)每一荷載幅值做一次動(dòng)力沖擊分析，記錄結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征響應(yīng)，然后繪制荷載幅值與結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征響應(yīng)之間的關(guān)系曲線：通過(guò)該曲線可全面了解結(jié)構(gòu)隨荷載幅值增大其動(dòng)力性狀不斷變化乃至失穩(wěn)