软土深基坑开挖下铁路桥梁力学性能及安全监测研究

摘要

大型综合交通枢纽的建设，加剧了站房改造深、大基坑开挖与既有线运营的矛盾。为缓解矛盾、缩短工期、降低成本，线下深基坑与其他区域深基坑同步开挖的“一步走”模式应运而生。该模式要求为线下深基坑开挖设计特殊桥梁，深基坑开挖使得桥梁结构的边界条件不断变化，导致列车-轨道-桥梁-基坑这一庞大系统的静力、动力相互作用。为确保“一步走”模式的安全实施，对这种具有强时变特征的时变系统的力学性能进行研究显得非常迫切和重要。目前，国内外尚没有针对这种强时变系统的相关研究。鉴于此，本文以宁波南站交通枢纽改建工程为背景，对软土深基坑开挖条件下宁波南站新型铁路桥（以下简称宁波桥）的静、动力学性能及其在施工和运营过程中的安全监测技术进行了研究。主要研究内容和取得的成果如下:
　　1.比较了“一步走”和传统“两步走”施工模式的优劣，对软土深基坑开挖条件下，列车-轨道-桥梁大系统的相互作用及安全监测、信号处理等方面的研究现状进行了系统回顾。
　　2.采用实体单元模拟道床建立了轨道-桥梁有限元模型，探讨了土与结构相互作用的有限元模拟方法，提出了土弹簧竖向刚度的计算公式，研究了桥下深基坑开挖过程中恒载、温度等对其力学性能的影响，确定了桥两侧基坑开挖不同步的允许深度差限值，为施工和行车安全提供了依据。
　　3.采用接触单元模拟轮轨作用，基于ANSYS建立了考虑桥下深基坑开挖的列车-轨道-桥梁大系统模型。以APDL编制了“位移耦合法”系统非线性动力响应分析程序、“位移耦合法”结合“动态特征值法”非线性动力稳定性分析程序。以宁波桥为例，对其在深基坑开挖条件下的动力特性、车桥响应和动力稳定性进行了分析，验证了程序的有效性。
　　4.提出了强时变概念，明确了强时变铁路桥梁安全监测系统的基本特征，确立了监测系统设计的指导思想和原则，确定了分批安装、分步实施、阈值动态变化的监测系统建设方案，并对该安全监测系统组成、监测内容及仪器选取等问题进行了探讨。
　　5.建立了具有信号采集、处理、报表生成、报警等功能的宁波桥自动化安全监测系统，自主研发了动力监测系统的控制软件和信号分析处理软件，实现了该桥监测信号的在线、高效处理。
　　6.分析比较了宁波桥安全监测系统实测值与有限元计算结果，验证了本文建立的考虑桥下深基坑开挖的列车-轨道-桥梁大系统有限元模型的合理性。监控期间，该桥各项监测指标安全可控且运营状态良好。本文研究成果为枢纽改建工程实现“一步走”模式的成功运用提供了重要的实测数据和有力的技术支持。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 列车-轨道-桥梁系统的动力相互作用

1．2．2 软土深基坑工程中土与结构的相互作用

1．2．3 桥梁结构安全监测及时变信号处理

1．3 存在的问题

1．4 本文工程背景

1．5 本文主要研究内容

2 软土深基坑开挖条件下铁路桥梁的静力性能研究

2．1 引言

2．2 轨道-桥梁有限元模型的建立

2．3 土与结构相互作用的有限元模拟

2．3．1 土弹簧水平刚度及阻尼的确定

2．3．2 土弹簧竖向刚度的确定

2．3．3 桩基合理网格尺寸的确定

2．4 工程实例

2．4．1 宁波南站枢纽改建工程基坑开挖方案简介

2．4．2 宁波软土的特点及工程地质条件

2．4．3 有限元模型的建立

2．4．4 基坑开挖过程中的恒载效应

2．4．5 温度效应分析

2．5 本章小结

3 软土深基坑开挖条件下铁路桥梁的动力性能研究

3．1 引言

3．2 列车-轨道-桥梁-基坑分析模型的建立

3．2．1 车辆运动方程

3．2．2 列车-轨道-桥梁系统运动方程

3．2．3 列车-轨道-桥梁-基坑有限元模型的建立

3．3 基于ANSYS的列车-轨道-桥梁-基坑大系统动力分析方法研究

3．3．1 位移耦合法系统动力响应分析

3．3．2 动态特征值法系统动力稳定性分析

3．4 工程实例

3．4．1 动力特性分析

3．4．2 动力响应分析

3．4．3 动力稳定性分析

3．5 本章小结

4 强时变条件下铁路桥梁安全监测系统的设计及实现

4．1 “强时变”的定义

4．2 强时变条件下铁路桥梁安全监测系统的特征

4．3 强时变条件下铁路桥梁安全监测系统设计的指导思想与原则

4．4 强时变条件下铁路桥梁安全监测系统在宁波桥上的实现

4．4．1 监测内容及监测仪器的选取

4．4．2 动态阈值的确定

4．4．3 静力监测系统的设计

4．4．4 动力监测系统的设计

4．5 监测系统的管理与维护

4．6 本章小结

5 静、动力监测数据的处理与分析

5．1 概述

5．2 静力监测数据分析

5．2．1 三维变形监测数据分析

5．2．2 静应力监测数据分析

5．3 动力监测信号处理与分析

5．3．1 实测动力响应分析

5．3．2 实测模态参数分析

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及参加的科研项目

致谢