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Study on Fatigue Life of Base Structure of Heavy-Haul Railway Tunnel
DOI: 10.12677/HJCE.2022.1111131, PDF , HTML, XML, 下载: 92  浏览: 151

Abstract: Due to the repeated long-term dynamic load of the train, the base structure of the heavy haul railway tunnel has a lot of fatigue damage, which seriously endangers the safety of the train. The fatigue life prediction methods are introduced, the advantages and disadvantages of each fatigue life prediction method are explained in detail, the fatigue calculation principle is described, and the professional fatigue calculation software is introduced, which can be used to calculate the life of the base structure under different factors.

1. 引言

2. 疲劳寿命预测方法

2.1. 名义应力法

1) 将动荷载谱应用在结构上，得出结构的名义应力谱；

2) 确定结构中疲劳损伤的部位，以及该处的名义应力谱；

3) 通过试验的数据，建立构件疲劳曲线方程；

4) 将疲劳损伤部位的名义应力带入疲劳曲线方程就得出疲劳寿命；

5) 对于多幅或变幅荷载下还需要结合累计损伤的研究。

2.2. 局部应力应变法

2.3. 应力场强法

${\sigma }_{FI}=1/V{\int }_{\Omega }f\left({\sigma }_{ij}\right)\phi \left(r\right)\text{d}v$ (1-1)

Ω——缺口破坏区；

V——Ω的体积；

$f\left({\sigma }_{ij}\right)$ ——破坏应力函数；

$\phi \left(r\right)$ ——权函数。

2.4. 能量法

3. 疲劳累计损伤理论

3.1. 线性疲劳累计损伤理论

3.2. 非线性疲劳累积损伤理论

4. Fe-Safe疲劳寿命计算原理

Fe-safe使用简单直接，Fe-safe的基本分析过程是首先在有限元软件中进行建模，然后进行受力分析，得到的数据结果，将起导入进Fe-safe，在Fe-safe中定义疲劳荷载、材料的疲劳参数、以及初始应力等影响因素，结合累积损伤理论进行疲劳寿命计算，结果显示结构的疲劳寿命以及安全等级计算数据。

5. 重载铁路隧道基底结构疲劳寿命分析

5.1. 不同影响因素下基底寿命分析

Figure 1. Damage distribution of compact base structure after five years of operation

Figure 2. Damage distribution of local empty base structure after five years of operation

Figure 3. Damage distribution of hollow through basement structure after five years of operation

Figure 4. Damage distribution of compact basement structure after 20 years of operation

Figure 5. Damage distribution of local empty basement structure after 20 years of operation

Figure 6. Damage distribution of hollow through basement structure after 20 years of operation

Figure 7. Damage distribution of compact basement structure after 80 years of operation

Figure 8. Damage distribution of local empty basement structure after 80 years of operation

Figure 9. Damage distribution of hollow through basement structure after 80 years of operation

5.2. 分析结果

5.3. 预测方法对比分析

6. 结论

1) 疲劳寿命程度预测方法有名义应力法、局部应力应变法、场强法、能量法等，名义应力法以名义应力谱为计算基础，综合疲劳寿命曲线和疲劳累积损伤理论，适用于高周疲劳寿命预测；局部应力应变法以局部应力应变谱为基础，适用于低周疲劳寿命计算。重载铁路隧道基底疲劳损伤适用于名义应力法来进行寿命预测。

2) 混凝土疲劳寿命预测曲线可通过材料试验获得，目前通过单轴拉压试验得出的疲劳寿命曲线能将最大应力水平和最小应力水平与疲劳寿命的关系考虑进去。

3) 线性疲劳累积损伤不考虑不同应力损伤之间的相互影响，总损伤由各个应力的循环累积线性相加即可，操作简单直接，便于使用。非线性疲劳累积损伤从疲劳破坏机理出发，能够兼顾各种初始影响因素，但是使用复杂，预测精度不够，两种疲劳累积损伤在铁路隧道结构疲劳寿命预测中均有应用。

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