杜建明，高修強(qiáng)，房 倩，麥海穎，王 趕，海 路

（1. 北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2. 北京交通大學(xué) 隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京 100044；3. 中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán)有限公司 華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

1964年日本東海道新干線高速鐵路系統(tǒng)成功運(yùn)營(yíng)后［1］，高速列車通過隧道誘發(fā)的氣動(dòng)效應(yīng)對(duì)列車與隧道的負(fù)面影響逐漸凸顯。高速列車車頭進(jìn)入隧道誘發(fā)壓縮波，車尾進(jìn)入隧道誘發(fā)膨脹波，壓縮波與膨脹波不斷產(chǎn)生并往復(fù)傳播，以音速在隧道內(nèi)壁、列車外壁、隧道進(jìn)出口等位置間持續(xù)反射、連續(xù)疊加及激發(fā)，形成復(fù)雜波系［2-4］。在作用于隧道壁面的空氣壓力（壓縮波產(chǎn)生的壓力和膨脹波產(chǎn)生的拉力，即氣動(dòng)荷載［5］）循環(huán)作用下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的原生裂紋會(huì)持續(xù)發(fā)展并相互貫通，從而降低襯砌結(jié)構(gòu)完整性與耐久性，甚至誘發(fā)鐵路隧道襯砌脫落、掉塊等安全事故。例如1999年11 月28日，日本禮文濱鐵路隧道因襯砌脫落、掉塊導(dǎo)致列車脫軌，造成后續(xù)51 班次列車行程被迫取消、8 500名乘客滯留車站的嚴(yán)重后果。事后分析認(rèn)為：鐵路列車在隧道內(nèi)所產(chǎn)生的氣動(dòng)荷載長(zhǎng)期循環(huán)作用可能是事故發(fā)生的重要誘因之一［6］。為了防止我國(guó)高速鐵路隧道運(yùn)營(yíng)過程中發(fā)生類似的安全事故，開展襯砌結(jié)構(gòu)在氣動(dòng)荷載長(zhǎng)期循環(huán)作用下的疲勞累積損傷發(fā)展規(guī)律研究，對(duì)隧道內(nèi)高速列車的安全營(yíng)運(yùn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，關(guān)于高速列車通過隧道誘發(fā)氣動(dòng)效應(yīng)的研究中，對(duì)高速列車的研究主要集中在車體密封性、車內(nèi)乘客舒適性以及車體疲勞強(qiáng)度特性等研究方面，對(duì)高速鐵路隧道的研究主要集中在隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)安全性、隧道內(nèi)壓力波變化規(guī)律及分布特征、隧道洞口微氣壓波、隧道內(nèi)雙車交會(huì)以及特殊環(huán)境下氣動(dòng)效應(yīng)等研究方面。已有大量國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)上述問題的影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究，并取得豐碩的研究成果，如列車速度、隧道長(zhǎng)度、車內(nèi)位置等因素對(duì)列車車體氣密性及車內(nèi)乘客舒適性的影響［7-9］；列車單車通過隧道及雙車在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)氣動(dòng)荷載對(duì)車體疲勞強(qiáng)度的影響［10］；隧道拱頂襯砌背后存在空洞時(shí)，不同車速下氣動(dòng)荷載對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)受力特性的影響［11］；列車速度、列車編組形式、隧道長(zhǎng)度、車隧阻塞比等因素對(duì)隧道內(nèi)壓力波變化及分布特性的影響［12-15］；隧道洞口緩沖結(jié)構(gòu)形式、隧道內(nèi)通風(fēng)豎井及輔助坑道、碎石道床等對(duì)隧道洞口微氣壓波的緩解［16-18］；列車速度、列車編組形式、列車鼻尖長(zhǎng)度、隧道長(zhǎng)度、隧道內(nèi)交會(huì)位置、車隧阻塞比等因素對(duì)隧道內(nèi)雙車交會(huì)時(shí)壓力波氣動(dòng)荷載分布特性以及列車空氣阻力系數(shù)的影響［19-21］；海拔高度、溫度等環(huán)境因素對(duì)高速鐵路隧道氣動(dòng)效應(yīng)力學(xué)特性的影響［22］等等。然而，目前尚鮮見針對(duì)高速鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷及殘余壽命分析的研究成果。

本文基于高速鐵路隧道壁面氣動(dòng)荷載特征，綜合Miner 損傷理論與混凝土應(yīng)力-疲勞壽命曲線（S-N曲線）的特點(diǎn)，考慮氣動(dòng)荷載間相互作用以及列車通過隧道不同次數(shù)間的影響，提出1 種氣動(dòng)載荷作用下的高速鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷與殘余壽命分析方法；結(jié)合京滬高鐵德州—棗莊段某隧道工程，研究高速列車單次通過隧道后氣動(dòng)荷載持續(xù)周期數(shù)以及列車車速對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)疲勞損傷的影響，分析列車通過隧道次數(shù)與襯砌結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷及殘余壽命之間的關(guān)系，判斷隧道設(shè)計(jì)年限內(nèi)氣動(dòng)荷載長(zhǎng)期循環(huán)作用下的襯砌結(jié)構(gòu)安全性。

1 高速鐵路隧道壁面氣動(dòng)荷載特征

高速列車單次通過隧道時(shí)，隧道壁面縱軸中斷面上作用的氣動(dòng)荷載時(shí)程曲線可簡(jiǎn)化為圖1 所示。圖中：以橫坐標(biāo)為零表示列車車頭駛?cè)胨淼廊肟诘臅r(shí)刻；T為高速列車車尾駛出隧道出口后氣動(dòng)荷載峰值的衰減周期。將整個(gè)氣動(dòng)荷載時(shí)程曲線劃分為列車在隧道內(nèi)行駛和列車完全駛出隧道2 個(gè)階段，由圖1 可知，當(dāng)列車在隧道內(nèi)行駛時(shí)，由于列車的存在，隧道壁面氣動(dòng)荷載峰值變化無嚴(yán)格規(guī)律可循；而當(dāng)完全駛出隧道（自車尾剛好離開隧道出口時(shí)起）后，隧道壁面氣動(dòng)荷載峰值變化近似呈周期性衰減規(guī)律，且正負(fù)峰值近似相等。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果分析可知［23］，列車完全駛出隧道后，隧道壁面氣動(dòng)荷載峰值的衰減周期T可表示為

圖1 高速鐵路隧道壁面氣動(dòng)荷載時(shí)程曲線簡(jiǎn)化示意圖

式中：L為隧道長(zhǎng)度；c為當(dāng)?shù)芈曀佟?/p>

影響T衰減速率的因素主要有隧道長(zhǎng)度與壁面粗糙程度等。一般而言，隧道壁面氣動(dòng)荷載最大值既可能發(fā)生在列車在隧道內(nèi)行駛階段，也可能發(fā)生在列車完全駛出隧道階段，且列車完全駛出隧道階段的氣動(dòng)荷載持續(xù)時(shí)長(zhǎng)是列車行駛于隧道內(nèi)時(shí)長(zhǎng)的9.0倍［24］。在常溫?zé)o腐蝕環(huán)境下，載荷停歇對(duì)大多數(shù)材料的疲勞強(qiáng)度影響不大［25］，故在研究氣動(dòng)荷載對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷過程中，可忽略2 列高速列車通過隧道時(shí)間間隔的影響。

高速鐵路隧道設(shè)計(jì)年限一般為100年。以京滬高速鐵路滬寧段為例，線上日開行高速列車209對(duì)，當(dāng)某高速列車以時(shí)速300 km 的速度通過長(zhǎng)度1 005 m 的隧道時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果［26］可知，隧道壁面氣動(dòng)荷載持續(xù)周期數(shù)達(dá)30 次，則沿線隧道襯砌結(jié)構(gòu)所受氣動(dòng)荷載次數(shù)為4.6×108次。相比混凝土拉壓屈服強(qiáng)度，氣動(dòng)荷載峰值極小（1.5～5.0 kPa），但氣動(dòng)荷載會(huì)影響襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷發(fā)展規(guī)律，從而使得襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部細(xì)觀裂紋最終發(fā)展為宏觀裂縫。

2 襯砌結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷及殘余壽命算法推導(dǎo)

2.1 疲勞累積損傷過程

假設(shè)初始狀態(tài)損傷為零，在等幅循環(huán)荷載作用下，Miner 理論與實(shí)際情況下的疲勞累積損傷過程如圖2 所示。圖中：u為等幅循環(huán)荷載作用次數(shù)，為便于分析，暫取u=5；黑線表示單次循環(huán)荷載作用下疲勞損傷；紅線表示循環(huán)荷載相互作用對(duì)疲勞累積損傷過程的影響量。由圖2（a）可知，工程實(shí)際中高周等幅疲勞循環(huán)荷載相互作用會(huì)加劇疲勞累積損傷過程，增大疲勞累積損傷，降低殘余壽命，且循環(huán)荷載之間的疲勞累積損傷相對(duì)增量會(huì)隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大，表現(xiàn)為顯著的非線性。由圖2（b）可知，由于沒有考慮荷載相互作用對(duì)疲勞累積損傷過程的影響，通過Miner 損傷理論得到的循環(huán)荷載作用下的結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷及殘余壽命分析，會(huì)產(chǎn)生較大的結(jié)果偏差，因此尚需進(jìn)一步提高計(jì)算精度。

圖2 等幅循環(huán)荷載作用下疲勞累積損傷過程簡(jiǎn)化示意圖（假設(shè)初始狀態(tài)損傷為零）

2.2 疲勞損傷及殘余壽命計(jì)算步驟

引入相鄰荷載間相互作用因子描述氣動(dòng)荷載間的相互作用，在定義完整襯砌結(jié)構(gòu)受列車單次通過隧道后引起的疲勞損傷，并推導(dǎo)得到其計(jì)算式之后，基于損傷相對(duì)增量，衡量列車多次通過隧道引起的累積損傷，提出1種高速列車多次通過隧道后的襯砌結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷及殘余壽命分析方法，具體步驟如下。

步驟1：計(jì)算列車單次通過隧道引起的襯砌結(jié)構(gòu)疲勞損傷。

根據(jù)線性損傷準(zhǔn)則以及荷載相互作用因子，定義襯砌結(jié)構(gòu)在列車單次通過隧道后引起的疲勞損傷Di為

其中，

式中：ni為高速列車第i次通過隧道時(shí)氣動(dòng)荷載周期數(shù)；j為高速列車第i次通過隧道時(shí)氣動(dòng)荷載的第j個(gè)周期；dij為高速列車第i次通過隧道時(shí)第j個(gè)周期的氣動(dòng)荷載作用下襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損傷，量綱為1；αij為相鄰氣動(dòng)荷載間的相互作用因子；Pij為高速列車第i次通過隧道時(shí)第j個(gè)周期下的氣動(dòng)荷載峰值，αi1=1。

因研究對(duì)象為完整無缺陷的襯砌結(jié)構(gòu)，假設(shè)初始損傷為0。

步驟2：計(jì)算列車多次通過隧道引起的襯砌結(jié)構(gòu)累積損傷。

根據(jù)線性損傷準(zhǔn)則以及損傷相對(duì)增量，定義襯砌結(jié)構(gòu)在列車多次通過隧道后引起的累積損傷Dsum為

其中，

式中：m為高速列車通過隧道的次數(shù)；Δβi為高速列車第i次通過隧道時(shí)產(chǎn)生的襯砌結(jié)構(gòu)疲勞損傷相對(duì)增量。

由于等幅循環(huán)荷載之間疲勞累積損傷相對(duì)增量差異較小，可近似認(rèn)為等幅循環(huán)荷載相互作用之間的疲勞累積損傷增量相等，即Δβi為不變常數(shù)。在參考相關(guān)文獻(xiàn)［27-28］對(duì)等幅循環(huán)荷載相互作用參數(shù)定義及取值的基礎(chǔ)上，定義Δβi的取值范圍為（0.1～1.0）/m。

步驟3：計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)殘余壽命。

襯砌結(jié)構(gòu)殘余壽命可根據(jù)襯砌結(jié)構(gòu)損傷臨界值與列車多次通過隧道引起的累積損傷分析得出。參考既有研究成果［29-30］，視襯砌結(jié)構(gòu)損傷臨界值Dcr為歸一化后量綱為1的參數(shù)，即

此時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)殘余壽命Dre為

2.3 列車通過隧道次數(shù)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)殘余壽命的影響

若以列車通過隧道次數(shù)與隧道壽命期內(nèi)計(jì)劃通過次數(shù)之比為列車通過隧道相對(duì)次數(shù)γm，則Dre與γm之間的關(guān)系如圖3所示。由圖可知：在列車通過隧道次數(shù)一定時(shí)，殘余壽命隨列車通過隧道產(chǎn)生的損傷相對(duì)增量β的增加而逐漸減?。划?dāng)相對(duì)增量β一定時(shí)，殘余壽命Dre隨列車通過隧道次數(shù)的增加而逐漸減小；在相同受力條件下，相比Miner（α=0）公式，考慮荷載間相互作用以及列車通過隧道不同次數(shù)間的影響后，疲勞累積損傷增加，殘余壽命減小，計(jì)算結(jié)果符合工程實(shí)際情況。

圖3 結(jié)構(gòu)殘余壽命與列車通過隧道相對(duì)次數(shù)之間的關(guān)系

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

京滬高速鐵路德州—棗莊段某隧道長(zhǎng)1 005 m，斷面面積100 m2，曲率半徑7 000 m，坡度3‰；隧道內(nèi)部鋪設(shè)無砟軌道，軌間距5.0 m。試驗(yàn)中通過隧道的高速列車為8 輛編組的CRH 型動(dòng)車組，車體全長(zhǎng)201.4 m，鼻尖長(zhǎng)度9.55 m，車身斷面面積11.20 m2［26］。高速列車通過隧道的次數(shù)取實(shí)際京滬高鐵的日開行對(duì)數(shù)209對(duì)。

由于洞口設(shè)有緩沖措施，隧道洞口壁面氣動(dòng)荷載峰值相對(duì)較小，故選擇隧道縱軸中部壁面為研究對(duì)象。在靠近車體1 側(cè)、距軌面高1.5 m 處的隧道壁面粘貼多個(gè)動(dòng)態(tài)壓力傳感器，獲取高速列車經(jīng)過隧道時(shí)隧道壁面承受的氣動(dòng)荷載［26］；在求得高速列車單次通過隧道引起的襯砌結(jié)構(gòu)疲勞損傷的基礎(chǔ)上，進(jìn)而計(jì)算得到列車多次通過隧道后的襯砌結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷及殘余壽命。

3.2 列車單次通過隧道時(shí)氣動(dòng)荷載持續(xù)周期數(shù)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)疲勞損傷的影響

1）計(jì)算參數(shù)

當(dāng)列車以300 km·h-1的速度通過隧道后，距隧道入口500 m、距軌面高1.5 m 處隧道壁面測(cè)點(diǎn)的氣動(dòng)荷載時(shí)程曲線如圖4 所示［26］。當(dāng)高速列車在隧道內(nèi)部行駛時(shí)，由于車體本身的存在，氣動(dòng)荷載峰值呈現(xiàn)不規(guī)則變化。為便于分析，對(duì)高速列車在隧道內(nèi)行駛階段的氣動(dòng)荷載進(jìn)行修正，用該階段最大峰值代替其余峰值，即曲線中的紅色部分。由圖4 可知：當(dāng)高速列車全部駛出隧道后，氣動(dòng)荷載呈現(xiàn)周期性衰減規(guī)律，此時(shí)的氣動(dòng)荷載正、負(fù)峰值可近似認(rèn)為相等，在后續(xù)分析中取二者中的較大值作為氣動(dòng)載荷峰值。

圖4 距隧道入口500 m、距軌面高1.5 m 處隧道壁面測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)荷載時(shí)程曲線

根據(jù)文獻(xiàn)［31］，混凝土材料的極限循環(huán)次數(shù)N與循環(huán)拉、壓應(yīng)力之間的關(guān)系式可表示為

式中：a，b和c為材料參數(shù)，通過擬合曲線可求解；σcmax和σtmin分別為壓應(yīng)力最大值和拉應(yīng)力最小值。

在等幅循環(huán)荷載作用下，拉、壓應(yīng)力相等，式（8）可簡(jiǎn)化為

式中：d為材料參數(shù)；P為等幅循環(huán)荷載峰值。

根據(jù)氣動(dòng)荷載時(shí)程曲線可以得到氣動(dòng)荷載周期數(shù)以及峰值參數(shù)；根據(jù)式（3）可以利用荷載峰值參數(shù)求解相應(yīng)的荷載之間相互作用因子α1j（此處只研究列車單次通過隧道的情況，故i=1）；再利用材料S-N曲線，可以求解得到對(duì)應(yīng)的極限循環(huán)次數(shù)N1j。計(jì)算結(jié)果見表1。

2）擬合結(jié)果

高速列車單次通過隧道時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)疲勞損傷與氣動(dòng)荷載持續(xù)周期數(shù)之間的關(guān)系及擬合曲線如圖5所示，得到的擬合函數(shù)見式（10），此時(shí)R2=0.999 9。

由圖5 和式（10）可知：襯砌結(jié)構(gòu)疲勞損傷Di隨氣動(dòng)荷載持續(xù)周期j的增加而逐漸增大，且二者之間存在明顯的線性關(guān)系；高速列車單次通過隧道對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)誘發(fā)的疲勞損傷為25.60×10-12。結(jié)合表1 進(jìn)一步得知，參數(shù)α1j的變化范圍為［0.83，1.00］，平均值0.90，與直線斜率接近。

表1 計(jì)算參數(shù)（部分）

圖5 疲勞損傷與荷載持續(xù)周期數(shù)之間的關(guān)系

3.3 列車單次通過隧道時(shí)車速對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)疲勞損傷的影響

以距隧道入口400 m、距軌面高1.5 m 處的隧道壁面為研究對(duì)象，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)［26］，分析不同車速下，高速列車單次通過隧道時(shí)的車速對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷的影響規(guī)律。

1）不同車速下氣動(dòng)荷載的變化規(guī)律

不同車速下，高速列車單次通過隧道時(shí)在隧道內(nèi)行駛和完全駛出隧道這2 個(gè)階段下的氣動(dòng)荷載峰值與車速之間的關(guān)系，以及相應(yīng)擬合函數(shù)、可決系數(shù)如圖6 所示［26］。由圖可知：高速列車在隧道內(nèi)行駛階段誘發(fā)的氣動(dòng)荷載峰值均大于駛出隧道階段；高速列車在隧道內(nèi)行駛階段，氣動(dòng)荷載峰值P內(nèi)隨列車速度v的提高而逐漸增大，二者之間的關(guān)系可近似用二次函數(shù)表示；高速列車駛出隧道階段，氣動(dòng)荷載峰值P外隨列車速度v的提高先增加后減小，二者之間的關(guān)系可用三次函數(shù)表示。

圖6 氣動(dòng)荷載峰值與列車速度之間的關(guān)系

2）不同車速下氣動(dòng)荷載持續(xù)周期數(shù)對(duì)疲勞累積損傷的影響

不同車速下，高速列車單次通過隧道時(shí)的襯砌結(jié)構(gòu)疲勞損傷與氣動(dòng)荷載持續(xù)周期數(shù)之間的關(guān)系如圖7所示。由圖可知，襯砌結(jié)構(gòu)疲勞損傷Di隨氣動(dòng)荷載持續(xù)周期數(shù)j的增加而逐漸增大，且二者之間存在明顯的線性關(guān)系。據(jù)此得到的擬合函數(shù)及可決系數(shù)整理見表2。

圖7 不同車速下襯砌結(jié)構(gòu)疲勞損傷與氣動(dòng)荷載持續(xù)周期數(shù)之間的關(guān)系

由表2 可知：不同車速下，高速列車單次通過隧道時(shí)影響隧道壁面氣動(dòng)荷載峰值衰減的因素相同，即不同車速下的襯砌結(jié)構(gòu)疲勞損傷與氣動(dòng)荷載持續(xù)周期數(shù)之間的線性關(guān)系相似；隧道內(nèi)列車不斷誘發(fā)、反射、疊加的壓縮波與膨脹波傳播與反射機(jī)制極其復(fù)雜，導(dǎo)致不同車速下的氣動(dòng)載荷峰值存在差異，不同車速下襯砌結(jié)構(gòu)疲勞損傷與氣動(dòng)荷載持續(xù)周期數(shù)之間的線性斜率即q值也存在微小差異。

表2 不同車速下襯砌結(jié)構(gòu)疲勞損傷與氣動(dòng)荷載持續(xù)周期數(shù)之間的擬合函數(shù)

3）列車速度對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)疲勞損傷累積的影響

高速列車單次通過隧道時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷Di與列車速度v之間的關(guān)系如圖8 所示。由圖可知：襯砌結(jié)構(gòu)疲勞損傷隨著列車車速的提高先增加后減小，二者間的變化規(guī)律與高速列車駛出隧道階段的氣動(dòng)荷載峰值與速度之間的變化規(guī)律相似。

圖8 襯砌結(jié)構(gòu)疲勞損傷與列車速度之間的關(guān)系

3.4 列車多次通過隧道后襯砌結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷與殘余壽命

以距隧道入口500 m、距軌面高1.5 m 處隧道壁面為研究對(duì)象，列車時(shí)速300 km，在高速鐵路隧道設(shè)計(jì)年限內(nèi)，襯砌結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷、襯砌結(jié)構(gòu)殘余壽命以及列車通過隧道次數(shù)（周期數(shù)）之間的關(guān)系如圖9所示。

圖9 襯砌結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷、襯砌結(jié)構(gòu)殘余壽命與列車通過隧道次數(shù)之間的關(guān)系

由圖9 可知：襯砌結(jié)構(gòu)累積損傷隨周期數(shù)的增加而逐漸增大，殘余壽命則逐漸減小，疲勞累積損傷與殘余壽命之間存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系；當(dāng)周期數(shù)達(dá)到0.95（α=0.1/N）和0.81（α=0.5/N）時(shí)，疲勞累積損傷已達(dá)臨界損傷值，說明循環(huán)荷載之間的相互作用對(duì)疲勞累積損傷具有加速效應(yīng)，在一定程度上增加了結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷，降低了結(jié)構(gòu)殘余壽命；在相同的受力條件下，相比于Miner 公式（α=0），在考慮循環(huán)荷載之間的相互作用以及對(duì)疲勞累積損傷作用的影響后，結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷增加、殘余壽命減小，且增加量或減小量均隨循環(huán)荷載對(duì)疲勞累積損傷影響程度的增大而逐漸增加。

3.5 隧道設(shè)計(jì)年限內(nèi)的襯砌結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷

根據(jù)前文計(jì)算可知，對(duì)于京滬高速鐵路德州—棗莊段某隧道，時(shí)速300 km 高速列車單次通過隧道誘發(fā)的襯砌結(jié)構(gòu)疲勞損傷為25.6×10-12。在日開行高速列車209 對(duì)的相同工況下，每天因高速列車通過隧道誘發(fā)的襯砌結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷為10.7×10-9，每年為3.9×10-6，100年（該隧道設(shè)計(jì)年限內(nèi)）為3.9×10-4，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于襯砌結(jié)構(gòu)損傷臨界值1。這說明高速列車經(jīng)過隧道誘發(fā)的氣動(dòng)荷載對(duì)完整襯砌結(jié)構(gòu)的疲勞累積損傷影響可以忽略不計(jì)，研究成果與既有工程經(jīng)驗(yàn)相符。

4 結(jié) 論

（1）基于高速鐵路隧道壁面氣動(dòng)荷載特征，綜合考慮氣動(dòng)荷載相互作用以及列車通過隧道不同次數(shù)間的影響，提出1 種高速鐵路隧道完整襯砌結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷及其殘余壽命分析方法，依托京滬高鐵德州—棗莊段某隧道工程的計(jì)算結(jié)果表明，該分析方法符合工程實(shí)際情況。

（2）高速列車單次通過案例隧道對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)誘發(fā)的疲勞損傷為25.6×10-12；襯砌結(jié)構(gòu)疲勞損傷與氣動(dòng)荷載持續(xù)周期數(shù)之間存在明顯的線性關(guān)系，這種關(guān)系與高速列車駛出隧道后氣動(dòng)荷載峰值的衰減規(guī)律密切相關(guān)；襯砌結(jié)構(gòu)疲勞損傷隨車速的提高先增加后減小。

（3）高速列車多次通過案例隧道后，襯砌結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷隨列車通過隧道次數(shù)的增加逐漸增大，殘余壽命則逐漸減小。在日開行高速列車209對(duì)的相同工況條件下，每天因高鐵列車通過隧道誘發(fā)的襯砌結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷為10.7×10-9，每年為3.9×10-6，100年（隧道設(shè)計(jì)年限內(nèi)）為3.9×10-4，表明氣動(dòng)荷載長(zhǎng)期循環(huán)作用下，完整的襯砌結(jié)構(gòu)在案例隧道設(shè)計(jì)年限內(nèi)不會(huì)發(fā)生損傷破壞。

（4）考慮到高速鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷過程不僅受到高速列車誘發(fā)的氣動(dòng)效應(yīng)影響，將來可考慮氣動(dòng)荷載對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)裂縫擴(kuò)展的加速效應(yīng)，進(jìn)一步從缺陷襯砌結(jié)構(gòu)角度開展疲勞累積損傷及殘余壽命影響方面的相關(guān)研究。