摘要:针对地下结构性能演化难清、健康状态难知以及地下结构损坏极其难修等工程科学难题,“城市轨道交通地下结构性能演化与感控基础理论”系统研究动态服役环境中地下结构材料全寿命期性能演化机制、地下结构性能与环境耦合作用机制、超长线状地下结构状态智慧感知理论与方法实现了地下结构服役状态的可知、可控,为轨道交通地下结构长寿命健康服役提供理论和技术保障。
关键词:城市轨道交通;地下结构;性能演化;健康服役;混凝土自修复
引言
城市轨道交通对缓解交通压力、便捷市民出行、改善城市结构、提升城市整体形象和竞争力具有重要意义。轨道交通已成为城市交通的主动脉,其结构健康服役的重要性日渐突出。一方面,在内外因素的共同作用下,城市轨道交通地下结构受力状态会发生变化,性能逐步退化;另一方面,我国轨道交通建设速度迅猛,结构施工质量难免存在一定程度的缺陷,且结构损坏后不易或不可更换,给轨道交通地下结构健康服役状态的判断和预知控制带来了极大困难。
1地下结构全寿命期性能演化多尺度模型
1.1地下结构材料多尺度本构和性能劣化模型
混凝土材料微观结构在空间上具有明显跨尺度属性,在时间上具有显著演化发展特征,既有研究主要集中在微观材料组分随时间的变化及其体积分数对宏观材料性能的影响,对微观组分粒径、形状和空间位置的随机分布考虑不足。Zhang等和Guan等考虑骨料的形状、粒径分布和空间分布的随机性,能高效考虑界面区的影响;尺度跨越具有双向性,既可以分析微观结构特征对宏观性能的影响,又可以描述微观结构对宏观荷载的响应,从微观、细观、宏观层次探究了城市轨道交通地下结构材料性能形成机制和复杂环境下服役性能的劣化机制,并基于均匀化理论建立了分析混凝土早期性能的多尺度模型。针对混凝土结构的劣化性能,既有研究大部分集中于地上的建筑、桥梁、水坝等的工程材料,极少涉及地下结构材料,考虑环境影响因素较少,主要考虑二维缺陷分布,不能准确计算出全寿命期过程中材料性能劣化对孔隙和裂纹自身结构的改变。Huang等针对地下结构混凝土,采用无损检测了盾构管片混凝土材料内部孔隙和裂纹等缺陷的三维孔隙拓扑结构,为各种侵蚀性介质传输途径提供了精确表征,并获得了裂缝连通性、裂缝密度和强度等参数,从化学、材料学理论解释侵蚀对孔隙拓扑结构的影响,改进混凝土材料的介质传输和性能演化理论。
1.2隧道管片、接缝性能演化计算模型
针对地下结构的现状,既有研究考虑因素单一,缺乏对多因素耦合作用机制及其对结构性能影响的研究,与地下结构所处实际环境联系不够紧密,相关模型难以直接用于地下结构工程实际。Lei等发明了能真实模拟侵蚀环境、动静荷载、边界状态的隧道衬砌结构性能试验装置与方法,揭示了在结构荷载、材料损伤、环境变异和基底状态等因素作用下隧道结构耐久或疲劳损伤性能演化机制,构建了侵蚀环境动静荷载边界状态耦合条件下隧道衬砌结构全寿命服役性能分析理论框架和计算方法,为多因素耦合下结构全寿命期性能分析提供解决方案。针对管片接缝,既有研究没有把接头在服役周期内的性能劣化与抗渗能力结合,没有考虑接缝接触压力和接触状态等多因素的耦合作用。
2超长线状地下结构的智慧感知与损伤识别方法
2.1地下结构静态参量无线感知与整体模量动力感知方法
国内外很少有关于地下结构综合无线感知的直接施加困难,极大地制约了无网格方法的进一步应用与发展。Cqi等、Ｗu等和Zhuang等针对多种综合因素共同作用下,隧道结构损伤缺陷等承载力及安全评估的工程和科学难题,创新发展了新的独立覆盖无网格分析理论方法,在独立的结点影响域上定义无网格插值函数,保留了无网格方法所有的动网格模拟优点,插值函数为一般多项式,计算公式简单、计算时间短、容易实施精确积分、容易施加位移边界条件,较好地克服了现有无网格方法在断裂分析方面存在的困难。
2.2基于分布识别的损伤定位与基于子结构的损伤识别方法
地下结构存在线状长、病害种类繁多、岩土赋存条件复杂等问题,现有模型包含大量单元和参数,现场监测产生海量监测信号,导致数据分析的维度灾难,从而使结构损伤识别的效率低。Wang等和罗辉等基于互信息理论对超长线状地下结构进行分区,保证了识别的精度,减小了数据的冗余量,建立基于分布式识别策略的惟响应损伤定位方法(损伤定位),结合小波包能量谱,解决了损伤精确定位差的问题。地下结构存在超长距离、土结构交互作用和边界条件模糊等问题,Lu等和Gu等的模型节点单元多、系统矩阵尺寸大、计算效率低。他们的模型中未知参数多,优化迭代难以收敛,优化参数精度欠佳。Weng等和Zhu等基于子结构有限元模型修正的损伤识别方法,解决了整体地下结构多尺度识别的问题,在精度相同的条件下,子结构修正效率提高90％。同时,结合层次分析方法等,构建了完善的健康评价指标体系和健康评估方法;建立了城市轨道交通地下结构体系性能退化可靠度分析模型,为地下结构可靠度分析和性能退化分析提供了新的途径。
结束语
对地下结构性能演化难清、健康状态难知以及地下结构损坏极其难修等工程科学难题,“城市轨道交通地下结构性能演化与感控基础理论”项目组成员开展了系统研究,取得了丰硕的成果,为轨道交通地下结构长寿命健康服役提供了理论和技术保障。笔者回顾了项目实施以来所取得的主要进展。１)针对地下结构性能演化难清的科学问题,提出和建立了地下结构材料的多尺度本构模型和劣化模型,包括:考虑侵蚀影响的三维孔隙拓扑结构时变模型、建设期地下结构材料的双向多尺度本构模型和固液气多相边界条件下地下结构材料性能演化模型;综合考虑盾构管片结构的赋存环境,建立了盾构隧道结构性能演化计算模型、管片接缝的防水材料时变本构模型和应力渗流耦合分析模型;针对隧道结构承载力及安全评估的难题,提出和发展了适合于损伤缺陷隧道结构的独立覆盖无网格ICMM计算分析理论与方法;在此基础上,建立了地下结构全寿命周期性能演化分析方法和软件,以服务于多因素耦合作用下盾构隧道全寿命周期的性能演化机制研究和寿命预测分析。２)针对地下结构健康状态难知的科学问题,提出和建立了超长线状地下结构性态多参数静、动态感知理论及方法,解决了超长线状地下结构静、动态参量无线感知难题;建立了超长线状结构时空压缩和恢复算法,解决了长距离、封闭空间的大容量数据传输及多层异构网络稳定性难题;提出和建立了基于局部整体策略的地下结构损伤识别方法和模糊综合评估方法,构建了完善的健康评价指标体系和健康评估方法;建立了城市轨道交通地下结构体系性能退化可靠度分析模型,为地下结构可靠度分析和性能退化分析提供了新的途径。
参考文献:
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