1、隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展和城市化進程的加快，地鐵、輕軌、有軌電車以及磁浮列車等有軌交通系統(tǒng)也進入大發(fā)展時期，而地面空間日益擁擠，使得隧道成為交通系統(tǒng)建設中的重要項目，這為研究列車-隧道動力耦合系統(tǒng)提供了重要的現(xiàn)實需求。數(shù)值模擬技術可以使許多過去受客觀條件限制無法有效地進行科學試驗和理論分析的復雜問題，通過計算機數(shù)值模擬得到滿意的解答，節(jié)省大量的時間。本文將列車-隧道動力耦合系統(tǒng)考慮為統(tǒng)一的整體，結合高性能計算平臺，研究了列車-隧道動力耦合

2、系統(tǒng)的數(shù)值模擬方法，并在具體工程實例的研究中得到了驗證和應用，主要研究內容包括:
　　研究了列車-隧道動力耦合系統(tǒng)的數(shù)值建模方法:采用等效模擬試驗方法，建立盾構隧道正交各向異性等效模型，在滿足實際工程計算要求的情況下，考慮了隧道橫向和縱向不同的力學特性。采用有限元方法構建列車多剛體模型，將剛體列車和變形體結構模型通過有限元方法統(tǒng)一起來，避免了多剛體方法與有限元方法的交互困難。系統(tǒng)中磁浮列車與軌道梁，輪軌列車與軌道，雙層襯砌隧道，隧

3、道與土體中的耦合作用采用不同的動力耦合模型。結合彈塑性分層土體模型，利用PML人工邊界模擬地下結構動力學分析時的半無限地基邊界。
　　研究了列車-隧道動力耦合系統(tǒng)的高性能計算方法:列車-隧道大型動力非線性耦合系統(tǒng)計算規(guī)模巨大，綜合考慮系統(tǒng)初始靜應力場和后續(xù)動力學計算，采用變時間步長的顯式積分算法求解，避免了算法切換造成的模型轉換困難，在計算收斂性和環(huán)境適應性上具有優(yōu)勢。結合上海超算中心曙光5000A高性能計算平臺，基于遞歸二分法，

4、設計實現(xiàn)了列車-隧道動態(tài)均衡的分區(qū)方法，以磁浮列車-隧道和軌道列車-隧道兩個動力耦合系統(tǒng)作為工程應用實例，證實了該分區(qū)方法具有更好的并行計算效率。
　　開展了磁浮列車-隧道動力耦合系統(tǒng)數(shù)值模擬應用研究。以磁浮上海機場聯(lián)絡線越江隧道為工程應用對象，按照施工圖紙和地質勘探資料，建立了磁浮列車-軌道梁-隧道-土體系統(tǒng)的三維精細有限元模型，全面考慮了盾構隧道正交各向異性特征、雙層襯砌動態(tài)耦合作用等因素的影響。越江隧道還未建成，不能通過與試

5、驗結果進行比較來驗證數(shù)值計算模型，但上海已有高架磁浮線路，所以采用相同的建模與計算方法，建立磁浮列車與高架線路的動力耦合系統(tǒng)，數(shù)值計算結果與試驗實測結果的加速度振級隨場地距離的衰減關系比較接近，證實了模型和方法的可行性。隧道中“π”型軌道梁跨中撓度的動力放大系數(shù)與德國設計規(guī)范的誤差也較小。首先計算結構系統(tǒng)的初始靜應力場，以此為基礎，計算了單車運行和雙車交會時耦合系統(tǒng)的動力響應。計算結果表明:磁浮列車動載荷對外層和內層襯砌影響較小，但對軌

6、道梁結構影響顯著;雙車交會與單車運行相比，軌道梁跨中撓度、結構應力和內外層襯砌耦合應力均有明顯增加，但兩種工況下軌道梁跨中撓度均小于設計安全值;內外層襯砌間耦合應力絕對數(shù)值較小，但磁浮列車動載荷引起的耦合應力增量與初始靜載荷引起的應力值相比不容忽視，耦合應力最大值出現(xiàn)在承軌臺的四個支柱處，需要在此位置的內外層襯砌間加入螺栓連接，以增強連接強度。
　　開展了軌道列車-隧道動力耦合系統(tǒng)數(shù)值模擬應用。以上海崇明長江公鐵兩用雙線隧道為工程

7、應用對象，按照施工圖紙和地質勘探資料，建立了軌道列車-軌道-道床-隧道-聯(lián)絡通道-土體系統(tǒng)的三維精細有限元模型，全面考慮了盾構隧道正交各向異性特征、聯(lián)絡通道處變形縫結構等因素的影響。數(shù)值模擬了初始工況、列車運行時軌道列車-隧道動力耦合系統(tǒng)的響應。計算結果表明:公路汽車載荷和軌道列車載荷對襯砌變形和應力的影響相對較小;在聯(lián)絡通道和主隧道連接位置，應力集中值約為普通隧道斷面處的三倍，需要進行加固以避免疲勞損傷;聯(lián)絡通道處變形縫的變形縫相對位