[发明专利]一种地铁隧道电缆支架疲劳可靠性的预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种预测电缆支架疲劳寿命的方法，属于结构动力响应和疲劳寿命预测领域。

背景技术

典型的的三层结构圆隧道，断面分区如下：最上层为排烟道，中间层为行车道，最下层为电缆、管廊通道。这种隧道将交通、消防、联络等功能集于一体而无需设置额外通道，降低了施工风险和工程造价。重型电力电缆通过支架安放在下部空箱内(即下层结构)，轨道则安装在空箱顶板上用于行走地铁列车，因此电缆支架会直接受到地铁传来的振动荷载。大量研究表明，这种振动虽然幅值不高，但持续时间长且范围广，所以电缆自重较大时支架的根部有可能发生疲劳破坏。这种破坏一旦发生将导致高额的维修代价，所以有必要对这类电缆支架在振动荷载作用下的疲劳寿命进行预测，以便在设计阶段做出合理的应对措施。

预测支架疲劳寿命最直接的方法是在支架上粘贴应变片，测出列车经过时根部的应变时程，然后做出S-N曲线进行疲劳分析。然而实测法存在以下三点不足：第一，管线一般和隧道平行施工，这种方法实际是在电缆安装完毕后进行，无法在设计阶段提供指导；第二，测点处于封闭的空箱内，这对现场的电源、通信有较高要求，增加了测试难度；第三，由于地铁振动具有较大的随机性，特别是地质资料和结构参数的不确定性，导致需要在同一点进行多次采样后才能确定合适的时程曲线，也意味着某一次测试的数据无法为其他工程提供参考。随着现代计算机性能提升，利用有限元求解振动问题已成为了一种有效的方法。计算时将“列车-轨道”作为振源子系统单独分析，再将轨道底部反力作为输入作用在“隧道-土体”下一级子系统上，进行振动传播以及结构振动分析。提取模型中电缆处节点的加速度时程，就可以对电缆进行疲劳分析和寿命预测。另外考虑到模型中某些参数的随机性，如果进行随机样本组合来建模的话，将会导致成千上万次重复计算，过程非常繁琐。

综上所述，对地铁隧道内重型电缆支架进行疲劳寿命预测时，在电缆支架根部直接进行振动测试的难度和成本非常高，而采用有限元求解时考虑参数随机性又会导致许多重复计算，本发明即针对上述问题而展开。

发明内容

技术问题：本发明提供一种基于-响应面法，现场测试容易操作、降低了随机参数给建模造成的复杂性的地铁隧道电缆支架疲劳可靠性的预测方法。

技术方案：本发明的地铁隧道电缆支架疲劳可靠性的预测方法，包含以下步骤：

第一步：选取列车-轨道-隧道-地层系统模型的列车参数、轨道参数、隧道参数和地层参数中n个随机变量[X₁,X₂,...X_n]，指定疲劳寿命设计值并建立支架疲劳寿命的功能函数的表达式，确定n个随机变量服从各自的分布律、均值μ_i以及方差σ_i，随机选取一个疲劳寿命设计值作为当前疲劳寿命设计值；

第二步：根据响应面方法，生成n个随机变量的m个样本{[x₁⁽¹⁾,x₂⁽¹⁾,...x_n⁽¹⁾]、[x₁⁽²⁾,x₂⁽²⁾,...x_n⁽²⁾]、[x₁^(m),x₂^(m),...x_n^(m)]}，其中m为功能函数中待定系数的个数，然后随机选取一个样本作为当前样本；

第三步：根据所述当前样本的数值建立列车-轨道、隧道-土体、支架-电缆的有限元模型，选取轨道不平顺谱，通过时频域转换生成不平顺空间波形，根据不平顺空间波形，调整列车-轨道有限元模型中梁单元节点的纵坐标；

第四步：求解列车-轨道有限元模型，具体为：根据钢轨单元数目确定荷载步的步数，然后按照所述步数在轨道上将列车模型位置不断前进，每次前进的距离为一个梁单元长度，每前进一次，就求解当前的列车-轨道有限元模型并记录列车与轨道响应，即完成一次荷载步，并将记录的列车与轨道响应作为下一个荷载步的初始状态，待完成所有荷载步后，提取钢轨支座处反力时程；