1.一种列车-桥梁-土体-盾构隧道系统耦合动力分析方法,其特征在于,包括以下步骤:建立桥梁-轨道子系统,所述桥梁-轨道子系统包括轨道、桥梁的有限元模型;建立车辆子系统,所述车辆子系统包括在桥梁处通行的列车的多刚体模型;建立土体-隧道子系统,所述土体-隧道子系统包括土体和盾构隧道施工的有限元模型,所述土体-隧道子系统用于模拟盾构隧道施工过程;通过轮轨接触关系为纽带连接桥梁-轨道子系统和车辆子系统,同时通过桩-土相互作用关系为纽带连接桥梁-轨道子系统和土体-隧道子系统,获得列车-桥梁-土体-盾构隧道系统的耦合模型;基于异步长法和时域积分算法对耦合模型进行耦合动力分析,得到盾构下穿桥梁时列车和结构的动力响应;基于异步长法和时域积分算法,对列车-桥梁-土体-盾构隧道系统的耦合模型的动力学方程进行求解:将列车-桥梁-土体-盾构隧道系统的耦合模型分解为两个子系统:列车-桥梁子系统和基础-土体-盾构隧道子系统,通过桩基承台上的共同结点将以上两个子系统结合;列车-桥梁子系统和基础-土体-盾构隧道子系统分别选取相应的积分算法和时间步长;在每个时间步内,分别计算列车-桥梁子系统和基础-土体-盾构隧道子系统的动力响应,然后将两者的动力响应数据交互,得到该时间步的结果,将该时间步的结果作为下一时间步的激励;每一时间步内,满足收敛条件后再进行下一个时间步的计算,直至完成整个计算。
2.根据权利要求1所述的列车-桥梁-土体-盾构隧道系统耦合动力分析方法,其特征在于:建立所述桥梁的有限元模型的方法如下:基于三维有限单元对桥梁进行模拟,包括桥梁的主梁、支座、墩台、桩,桥梁的支座根据支座竖向、水平向承载力与允许位移范围模拟竖向、横向及纵向弹簧刚度;建立所述轨道有限元模型的步骤如下:基于Timoshenko空间梁单元对轨道系统中的钢轨进行模拟,轨道系统中的其余各层采用实体单元模拟,钢轨与轨道板之间的扣件通过弹簧单元进行模拟。
3.根据权利要求1所述的列车-桥梁-土体-盾构隧道系统耦合动力分析方法,其特征在于:建立所述列车的多刚体模型的方法如下:将列车的车体、转向架、轮对均视为刚体,在轮轨关系分析中计算轮轨力时考虑轮对的弹性变形;采用二系悬挂四轴列车建立列车的多刚体模型:其中列车的一系悬挂系统连接轮对和转向架,二系悬挂系统连接转向架和车体,采用弹簧-阻尼单元模拟悬挂系统,建立列车的多刚体模型。
4.根据权利要求1所述的列车-桥梁-土体-盾构隧道系统耦合动力分析方法,其特征在于:建立所述土体和盾构隧道施工的有限元模型,对盾构隧道施工过程的模拟方法如下:对原状土进行土工试验,确定各土层材料的物理力学参数;并采用理想弹塑性本构模型来模拟土体的应力-应变关系;考虑地层的边界约束效应,取隧道3-5倍洞径处作为土体和盾构隧道施工的有限元模型的边界面,采用三维实体单元模拟土层,采用板单元模拟盾构施工所涉及到的结构物中的盾壳和管片;确定土体和盾构隧道施工的有限元模型的边界约束条件,其中土体和盾构隧道施工的有限元模型顶面为自由面,底面施加固定约束,前后、左右边界面施加法向约束;确定盾构隧道施工荷载,所述盾构隧道施工荷载包括泥水压力、摩擦力、千斤顶推力和注浆压力;通过变换单元的材料属性和控制单元的生死模拟盾构隧道施工过程。
5.根据权利要求1所述的列车-桥梁-土体-盾构隧道系统耦合动力分析方法,其特征在于:所述轮轨接触关系包括轮轨接触几何关系以及轮轨力;其中轮轨接触几何关系包含轮轨接触轮廓、轮轨接触点及接触模型;轮轨力包括轮轨法向力和轮轨蠕滑力,采用Hertz弹性接触理论计算轮轨法向力,采用基于Kalker简化理论的FASTSIM算法计算轮轨蠕滑力。
6.根据权利要求1所述的列车-桥梁-土体-盾构隧道系统耦合动力分析方法,其特征在于:所述列车-桥梁-土体-盾构隧道系统的耦合模型的动力学方程的表达式如下:其中, , 和 分别为车辆、桥梁-轨道、土体-隧道子系统的质量矩阵, , 和 分别为车辆、桥梁-轨道和土体-隧道子系统的阻尼矩阵, , 和 分别为车辆、桥梁-轨道和土体-隧道子系统的的刚度矩阵, , 和 分别为车辆、桥梁-轨道和土体-隧道子系统的广义位移向量, , 和 分别为车辆、桥梁-轨道和土体-隧道子系统的广义速度向量, , 和 分别为车辆、桥梁-轨道和土体-隧道子系统的广义加速度向量, , 和 分别为车辆、桥梁-轨道和土体-隧道子系统的广义荷载向量。
7.根据权利要求6所述的列车-桥梁-土体-盾构隧道系统耦合动力分析方法,其特征在于:在列车-桥梁-土体-盾构隧道系统的耦合模型中,高频部分集中于列车-桥梁子系统,在列车-桥梁子系统分析时采用比基础-土体-盾构隧道子系统小的时间步,且基础-土体-盾构隧道子系统选取的时间步长为列车-桥梁子系统的整数倍。