荷载作用过程中的影响因素

管片螺栓连接在地铁运营过程中的荷载分为静荷载与动荷载。静荷载表现为管片周边土压力的不均衡造成的管片衬砌结构的位移、隧道所处地段的地下水作用等，这些作用的效应反映为对管片的拉力、压力、弯矩作用与剪力作用。动荷载的主要作用为地铁车辆运行中产生的振动作用，隧道空间中列车的运行产生的空气活塞效应。我们重点关注动荷载的影响。

1.振动荷载

静止的列车会因为较大质量的车身停泊在铁轨上而产生较大的接触面的应力作用。随着列车启动运行，应力的范围会随着车体的移动而移动，静止时的应力作用也会向四周扩散产生运动的应力场。实际运行中，这种应力场会涉及车轮滚动和滑动，以及车轮轮对偏移、车轮表面凹凸、轮轴负荷过大等作用因素。在轨道上，需要考虑两条钢轨的受力不均匀、轨道不平滑、道床内空气变化等可能会成为增加列车振动的因素。

地铁在运行时，车轮因为某些因素而产生振动，一部分振动直接转化成噪声，另一部分振动通过轨道、枕道床结构传播到隧道。轨道轮轨种类、轮轨形状、枕道床状况都会影响列车振动的产生和传播。

在振动大小的归类中，最大振动根据车轮和轨下部件的共振产生的频率决定，共振大小根据列车速度决定。特殊情况时，速度较慢的列车比速度较快的列车产生更大的振动。结构振动和空气噪声是列车在行进过程中所产生的两种主要的振动类型。地基应对振动的弹性程度、隧道衬砌结构的形状和设计结构以及隧道内建筑设施布置等都直接影响结构物的振动感应。通过现场实测可知，地铁运营引起地面振动的加速度峰值保持在10-4 m/s2量级，远大于无列车影响的背景振动的10-2 m/s2量级，地铁列车运行引起建筑结构物振动的主频率保持在60～80 Hz。

2.隧道空气动力荷载

地铁列车在区间隧道中运行时，由于隧道壁的限制，列车将隧道内的空气推向下一开口处，形成与列车运动方向相同的气流，称为活塞风。活塞风的特性是隧道设计的重要参考项，且列车在地铁隧道中运行时所产生的活塞效应对隧道内空气的流动特性起着重要影响。一方面，活塞效应是隧道及站台自然通风换气的主要动力；另一方面，伴随着列车的阶段行驶过程，活塞风会改变区间内隧道壁的空气动力分布，对隧道壁的结构产生影响。

活塞风具有交变荷载特性，其主要特征表现为瞬变压力。当列车以最高速度120 km/h行驶时，断面变化及活塞风造成的压力突变，最大压力变化值为1700～1900 Pa/3s，构成对隧道壁的动力作用效应。受气流影响产生震颤，作用到螺栓上形成周期性突变应力。螺栓连接件的材料发生蠕变和应力松弛，使连接中的预紧力和摩擦力逐渐减小，导致连接松动。人们通常注意到这种压力波对司乘人员的健康影响，而实际上，作为一种振动波，对于暴露在隧道空间内的螺栓结构来说，这种长期往复作用的振动影响，会使螺栓产生微细的滑移变化，可以确定螺栓的滑移影响是肯定存在的，应该引起重视，这方面的研究数据有待进行相关的监测、考证。地铁隧道内的空气动力学特性及其影响的研究具有十分重要的意义。