高速铁路隧道缓冲结构气动载荷与结构应力特性分析1)

王英学高 波 任文强

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都610031)

高速铁路隧道缓冲结构气动载荷与结构应力特性分析1)

王英学2)高 波 任文强

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都610031)

高速列车通过隧道时，会引起车隧气动效应.在隧道洞口设置缓冲结构是简便有效的应对措施之一.而缓冲结构一般设置在隧道洞口，列车通过隧道产生气动载荷对该结构的影响也不容忽视.本文采用数值方法，利用Ansys软件的workbench模拟平台，对列车通过隧道产生的气动载荷作用在顶部单开口缓冲结构上的压应力变化进行模拟.研究结果表明：气动载荷所引起的结构附加应力作用明显.当行车速度为350km/h时，附加应力可以达到80kPa，而缓冲结构开口周围成为气动载荷附加应力集中区.对于双线隧道，近车壁面与远车壁面的附加压应力规律一致，但近车侧应力值要大于远车侧.与压力波在隧道内的传播特性类似，气动载荷所引起的附加压应力具有往复传播特征.另外，对顶部缓冲结构开口附近出现附加应力集中的原因进行了分析，确定缓冲结构形式是引起应力集中的决定因素.以上结论对隧道洞口缓冲结构的设计及安全巡查具有一定的指导意义.

高速列车，隧道，缓冲结构，气动载荷，流固耦合

引言

随着列车速度的提升，由高速所带来的问题越来越明显，其中安全问题尤为突出.当高速列车进入隧道时，其过程可近似描述成活塞运动.高速列车由三维的半无限空间进入隧道有限空间时，空间体积的突变使得高速列车挤压空气产生压缩波和膨胀波，波在隧道内往复传播.隧道结构长期在应力波作用下，易发生疲劳破坏.为了缓解洞口微压波的破坏作用，一方面洞口的缓冲结构会设置多个开口，使结构的强度有所降低;另一方面，因洞口结构形式多为明洞，故其受力状态较之洞身更为不利.因此，洞口缓冲结构段气动载荷特性是隧道结构的分析重点，有必要开展相关的研究.

针对隧道的气动压力峰值与隧道结构安全性，一些学者已经进行了相关研究.

赵晶[1]和冯志鹏等[2]采用数值方法对单辆列车通过隧道及两辆高速列车在隧道内交会时，隧道内流场情况进行了数值模拟，分析了隧道内压力波的变化规律以及隧道、列车车窗受力情况.

马伟斌等[3]综合现场测试、数值计算和模型试验结果，对高速铁路隧道气动效应的研究进展状况进行了探讨，分析了动车组通过隧道及交会条件下车体、隧道内的压力波动及洞口微压波随速度的变化规律.

马云东等[4]和范斌[5]从混凝土细观力学的角度出发，对高速列车运行条件下隧道衬砌拱顶混凝土的力学特性进行了模拟，获得了不同时刻的应力状态,为隧道的耐久性分析提供了重要参考.

关于车隧气动效应的治理及隧道缓冲结构的设计问题，已有大量的研究和许多成果[6-9].杨国伟等[10]对高速列车的隧道、车辆、轨道等关键力学问题进行了归纳分析，总结了我国在高速铁路领域取得的成果.

从上面的调研分析可以看出，隧道结构气动载荷问题已经引起了广大学者的重视，但是对于隧道结构洞口段，特别是对缓冲结构气动载荷特性的研究还相对较少，本文将针对缓冲结构的气动特性进行分析，确定缓冲结构的薄弱部位，以便为工程设计提供指导.

1 分析理论和计算方法

车隧气动耦合分析涉及对列车进入隧道时的流场分析和压缓冲结构上的应力场分析.结构分析主要包括结构自重应力场的计算以及结构在气动压力作用下的结构动应力场分析.气动压力的分析和计算是关键，下面对分析理论和计算方法做简要介绍.

1.1 流场分析理论与计算模型

在进行流场分析时，主要通过求解Navier-Stokes方程得到流场特性，其中湍流模式的选取是一项重要因素.不同学者在车隧气动分析中，所选取的湍流模型和方法略有差别，比较常用的有k-ε模型[11]及大涡模拟(large eddy simulation,LES)方法[12]等.为了模拟湍流运动，一方面要求计算区域的尺度应大到足以包含湍流运动中出现的最大涡，另一方面要求计算网格的尺度小到足以分辨最小涡的运动.然而，就目前的计算机能力而言，能够采用的计算网格的最小尺度仍比最小涡的尺度大许多.LSE就是放弃对全尺度范围上涡的运动模拟，只将比网格尺度大的紊流运动通过Navier-Stokes方程直接计算出来，这样在保证计算精度的同时，使计算工作量大大降低.从目前的应用情况来看，该方法的优势是显著的.但由于其计算的涡尺寸与模型网格是相关的，因此为了保证精度，对网格尺寸的要求较高.本文将采用LES方法进行计算，在保证整体网格尺度满足计算需要的同时，对压力梯度变化较大的关键部位进行网格加密处理.

1.2 列车进出隧道过程的网格划分

高速列车通过隧道时，边界条件是不断变化的.文中采用Fluent软件进行流场计算，该软件提供了两种网格技术能很好地模拟列车与隧道的相对运动，即滑移网格技术和动网格技术[13].

滑移网格模型允许相邻网格间发生相对运动，而且网格界面上的节点无需对齐，即网格交界面是非正则的.在使用滑移网格模型时，计算网格界面上的通量需要考虑相邻网格间的相对运动，以及由运动形成的重叠区域的变化过程.

动网格模型可以用来模拟流场形状由于边界运动而随时间发生的改变.边界的运动形式可以是预先定义的运动，即可以在计算前指定其速度或角速度；也可以是预先未做定义的运动，即边界的运动由前一步的计算结果决定.

滑移网格法不涉及网格的重新划分，而动网格法需要根据计算步的推进，重新划分网格，因此，相对而言，滑动网格的计算速度要快得多.但因为滑动网格是通过区域网格界面传递计算参数的，所以在网格交界面处的计算结果有一定差异.

为充分利用这两种方法的优点，在网格划分上将中间包含列车的区域定义为动网格区，而把包含隧道和出入口的空气区域定义为滑移网格区域.

1.3 车隧气动耦合分析方法

流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支.邢景棠等[14]认为流固耦合问题按其耦合机理可分为两大类.第一大类问题的特征是两相域部分或全部重叠在一起,难以明显地区分.第二大类问题的特征是耦合作用仅仅发生在两相交界面上.车隧气动--结构耦合就属于第二类问题，对该问题可以采用如下三种方法进行加载分析.

1.3.1 静力法

该方法常在地铁及隧道的抗震设计中采用[15].即在抗震衬砌结构横截面的设计中和稳定性检算中，采用地震系数或惯性力法.在气动载荷结构分析时，也可借鉴此方法，即将车隧气动流场分析中得到的缓冲结构在每个壁面的压力峰值加到各个面上去，进行结构静力计算.

1.3.2 拟动力方法

流固耦合分析方法还可以分为两种：单向流固耦合分析和双向流固耦合分析[16].本文研究单向耦合问题，即流场作用所引起的结构变形，对流场分析可以忽略不计，只考虑流场变化对结构的影响，而不必考虑结构变形对流场的影响.因此，可以通过流体动力计算，得到各个截面气动压力的波动数据，在结构计算中，将流场监测得到的气动压力加载到结构上，得到结构的应力场变化规律.该方法将气动与结构计算分开进行，在没有多场耦合分析平台时，也是可行的.

1.3.3 多场耦合平台分析法

利用多场耦合分析平台，将流体计算的压力直接加载到结构上，进行结构流场耦合动力分析.该方法利用已有的耦合软件或自编程序接口，实现流场分析和结构分析之间的数据传递.能够进行该耦合计算的软件平台有Mpcci软件、Ansys软件等，许多学者通过上述软件开展了相关的耦合分析[16-18]，都取得了良好的效果.本文将采用Ansys软件的耦合分析平台开展相关的分析.

2 隧道缓冲结构参数研究

2.1 基本参数拟定

车隧气动载荷分析可分为两个部分：列车进入隧道气动载荷的计算及气动载荷对结构影响的计算.

在流体计算中，选取隧道断面为100m2，如图1所示.列车采用CRH3列车，列车车头网格如图2所示.隧道长度取500m，车长100m，列车进入隧道前距隧道入口100m，计算区域总体长度1100m，计算模型尺寸如图3所示.

对于顶部设置单一开口的缓冲结构，其结构形式简单，施工比较方便.在合理的开口参数下，其压力梯度降低率会取得较好的值.为此有必要对其开口参数进行研究.

图1 隧道断面图1-隧道中线，2-线路中线，3-安全空间，4-救援通道，5-内轨顶面Fig.1 Tunnel cross-section1-tunnel central line,2-rail trak centerline,3-safety space,4-rescue channel,5-the top of inner rail

图2 列车模型网格图Fig.2 Numeral model grid mesh of the train

图3 计算模型尺寸布置示意图(单位：m)Fig.3 Numeral simulation model dimension(unit：m)

为研究最优开口率，需要保持开口宽度和开口距明洞入口距离不变，其速度为350km/h.

洞口缓冲结构选取顶部单开口缓冲结构，模型网格及结构尺寸如图4和图5所示.在结构计算平台中的缓冲结构网格如图6所示.

图4 流场分析中的隧道缓冲结构网格Fig.4 Tunnel hood grid mesh of fluen model

图5 隧道缓冲结构开口尺寸(单位：m)Fig.5 Tunnel hood opening dimension(unit：m)

图6 隧道缓冲结构计算网格Fig.6 Tunnel hood grid mesh of structure model

在对缓冲结构进行气动载荷分析时，结构厚度取0.5m，计算中的其他力学参数如表1所示.

表1 缓冲结构力学参数Table 1 Tunnel hood structure mechanics parameter

2.2 计算结果

采用静力法、拟动力法对列车经过隧道所产生的气动载荷对结构的影响进行分析[19]，结果显示：静力法计算气动载荷所引起的额外应力增加值为30kPa左右，而拟动力法计算气动载荷所引起的额外应力增加值可以达到60kPa.下文将只针对耦合分析法引起的应力情况进行分析.

在列车进入隧道缓冲结构段时刻，不同计算平台得到的车头周围压力场和缓冲结构应力场分布如图7所示.从图中可以看到，隧道缓冲结构的拱顶部位在自重场作用下的应力较大，且结构的破坏易引发较严重的事故.另一方面隧道缓冲结构内侧所受到的影响必然强于外侧.因此，对缓冲结构内侧拱顶中线各点的压应力变化进行分析.

图7 列车进入隧道引起的压力场和缓冲结构应力场云图(t=1.0s,单位：Pa)Fig.7 Pressure and stress contour graphics induced by train entering tunnel hood(t=1.0s,unit：Pa)

图7 列车进入隧道引起的压力场和缓冲结构应力场云图(t=1.0s,单位：Pa)(续)Fig.7 Pressure and stress contour graphics induced by train entering tunnel hood(t=1.0s,unit：Pa)(continued)

根据缓冲结构开口位置的设置(如图5)，缓冲结构全长15m，0～4m区段为缓冲结构洞外到开口区段，定义为开口前区段；4～13m为开口区段；13～15m为开口至隧道区段，定义为开口后区段.关于拱顶中线的压应力，仅对0～4m区段，13～15m区段进行分析.在隧道缓冲结构内侧拱顶中心线设置监测点，计算得到各监测点处的附加压应力的时程曲线，如图8所示.

图8 缓冲结构拱顶中心线附加压应力变化时程曲线Fig.8 Extra-pressure stress-time relative graphics on top zone of hood

在计算中选取双线隧道(如图1)，以隧道中心线为坐标原点，列车行进方向为z轴方向，则离列车较近的为-x侧.为比较列车因离隧道缓冲结构壁面距离不同所引起的结构应力差异，对于距离地面高2.5m处壁面靠近列车一侧(-x侧)和远离列车一侧(+x侧)分别选取测点，分析其压应力变化.计算得到缓冲结构内侧边壁沿行车方向的附加压应力的时程曲线，如图9所示.缓冲结构壁面压应力峰值与距隧道缓冲结构洞口距离的相关曲线如图10所示.

图9 缓冲结构侧壁压应力变化时程曲线Fig.9 History curves of extra-pressure stress on the side zone of hood

图10 缓冲结构壁面首个附加压应力峰值与距洞口距离相关曲线Fig.10 The correlation curves between the firs peak of extra-pressure stress and the distance to hood entrance

2.3 结果分析

通过对列车进入隧道缓冲结构段气动载荷与结构应力特征进行了分析,所得到的相关数据可以看出：

(1)采用耦合计算得到的气动载荷附加压应力值大于拟动力方法所得到的结果.

拟动力方法计算得到的气动载荷附加应力值为60kPa，而采用耦合计算所得到的附加应力值达到80kPa.

(2)隧道缓冲结构拱顶开口部位属于气动载荷附加应力集中区.

图8显示：通过隧道轴向分析，在缓冲结构拱顶中线处，由洞外到缓冲结构开口区段及由隧道内部向缓冲结构开口位置区段，气动载荷引起的附加压应力都是逐渐增大的.图10显示：按隧道环向分析，在隧道洞口起点(x=0)，隧道拱顶及侧部压应力峰值比较接近，而在开口位置(x=4m，x=13m)处，拱顶出现高压应力.

依据压缩波的产生规律，在列车进入隧道的一定范围内，压缩波峰值是逐渐增加的，这与图8和图10显示的在缓冲结构开口位置出现的压应力集中现象是不相符的.

本文认为：气动载荷所引起的结构应力主要取决于结构形式.在开口位置结构薄弱，必然引起应力集中.另外，同样在拱顶开口边界，x=13m处的压应力要大于x=4m处.从结构上分析：4m处前面有4m完整的隧道结构，而x=13m处后面只有2m的完整隧道结构.这是引起应力差异的内在原因.

(3)气动载荷在隧道壁面两侧所引起的附加应力规律一致，靠近列车一侧压应力略高.

图9显示：在靠近列车一侧，列车通过所形成的首波附加压应力及车尾经过(t=2s)引起的压应力绝对值均要大于远离列车一侧对应的附加压应力值，且有多个波峰和波谷.对比图9与图8可知，两者波峰和波谷的出现时刻基本上是一致的，但是拱顶处的波峰和波谷值更大.

(4)列车通过隧道在缓冲结构内壁面所产生的气动载荷是波动变化的，车头经过时为正压力，车尾经过时为负压力.

结合压缩波在隧道内的传播特性，计算结果表明气动载荷所引起的附加压应力也具有往复传播的特性.

依据列车车速及波速计算，车尾在t=2s时刻附近到达隧道缓冲结构.列车进入隧道时产生压缩波，到达隧道出口后转换为膨胀波(负压波)，在t=4s时刻附近再次传播到缓冲结构位置(压缩波传播速度为340m/h，压缩波传播、反射回到缓冲结构区段往返行程为1000m).图8中的压应力时程曲线可体现这些规律.

3 结论

通过对列车经过隧道缓冲结构段气动载荷--结构应力特性分析，得出如下结论：

(1)采用耦合计算得到的气动载荷附加应力值大于拟动力方法所得到的结果.在列车以时速350km/h通过时，所引起的附加应力值达到80kPa.

(2)在列车进入隧道时，隧道缓冲结构拱顶开口部位属于气动载荷附加应力集中区，引起应力集中的内在原因是缓冲结构形式.

(3)气动载荷在隧道壁面两侧所引起的附加应力规律一致，靠近列车一侧压应力略高.

(4)列车通过隧道在缓冲结构内壁面所产生的气动载荷是波动变化的，并且逐渐衰减，车头经过时为正压力，车尾经过时为负压力.

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AERODYNAMIC LOAD AND STRUCTURE STRESS ANALYSIS ON HOOD OF HIGH-SPEED RAILWAY TUNNEL1)

Wang Yingxue2)Gao Bo Ren Wenqiang
(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu610031，China)

When high speed train passes through tunnel,aerodynamic ef f ect will be induced.Setting hood at tunnel entrance is one of the convenient and ef f ective measures for controlling aerodynamic ef f ect.While the hood usually lay at tunnel entrance,in a long run,the aerodynamic load on the structure also should not be overlooked.In this paper,using Ansys-workbench simulation platform,the flui structure coupling character induced by aerodynamic load on single top opening hood was analyzed.The research results showed that the extra-pressure stress induced by aerodynamic load was notable.To the train of running speed 350km/h,the induced extra pressure stress on hood structure can reach 80kPa. On the tunnel hood,the region around the openings appeared a relative high extra pressure stress.Since the tunnel is used for double railway line,the variation law of extra pressure stress on the tunnel hood inertial side wall of close to and far from train is almost same,while the stress pressure on inertial side wall of close to train is a little larger than thaton the other side.Like the compression wave transportation in tunnel,the extra pressure stress induced by aerodynamic load also shows reciprocating transmission characteristics.The reason of stress concentration around the hood openings was deduced and showed that hood structure condition is the intrinsic fact for resulting in the detrimental ef f ect.These conclusions on aerodynamic load are advisable for tunnel hood design and safety checking.

high-speed train,tunnel,hood,aerodynamic load,flui structure coupling

U451.3

A doi：10.6052/0459-1879-16-343

2016-11-25收稿，2016-11-28录用,2016-12-02网络版发表.

1)国家“863”计划资助项目(2011AA11A103-3-3-2).

2)王英学，教授，主要研究方向：隧道及地下工程.E-mail：wangyingxue@swjtu.edu.cn

王英学，高波，任文强.高速铁路隧道缓冲结构气动载荷与结构应力特性分析.力学学报,2017,49(1)：48-54

Wang Yingxue,Gao Bo,Ren Wenqiang.Aerodynamic load and structure stress analysis on hood of high-speed railway tunnel.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2017,49(1)：48-54