【博士】隧道結(jié)構(gòu)生命全過程可靠度研究【2007】

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　　學(xué)科專業(yè)：港口、海岸及近海工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：大連理工大學(xué)　　學(xué)位年度： 2007年　　隧道結(jié)構(gòu)生命全過程由施工期、使用期和老化期三個(gè)階段構(gòu)成。在旌工期隧道圍巖中原有應(yīng)力平衡被破壞，噴射混凝土及錨桿的強(qiáng)度還在增長(zhǎng)過程當(dāng)中，隨時(shí)可能遇到各種險(xiǎn)情。隧道進(jìn)入老化期后，受到自然環(huán)境和使用環(huán)境腐蝕介質(zhì)的長(zhǎng)期作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)抗力不斷下降，且由于圍巖介質(zhì)具有流變效應(yīng)，襯砌所受到的作用不斷增長(zhǎng)，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)在這一時(shí)期呈現(xiàn)較高的風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)率較低的使用期，在災(zāi)害性地震作用下，隧道結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)率又上升到較高的水平，有關(guān)研究目前尚不充分。在隧道結(jié)構(gòu)可靠度已有研究成果的基礎(chǔ)上，抓住隧道結(jié)構(gòu)生命全過程三個(gè)階段的特征進(jìn)行研究，是隧道結(jié)構(gòu)可靠度研究的一個(gè)新的拓展，對(duì)于保證隧道結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性具有重要的指導(dǎo)意義。為此本文以隧道結(jié)構(gòu)生命周期全過程為主線，開展了以下幾方面的研究工作：　　1、施工期盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠度研究采用數(shù)值模擬方法，研究了隧道開挖面的極限支護(hù)壓力；以不同工況下地層參數(shù)及其極限支護(hù)壓力比為樣本，待BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完畢后，即可預(yù)測(cè)大量給定地層參數(shù)工況下開挖面的極限支護(hù)壓力比，對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到概率分布特征；在理論分析的基礎(chǔ)上并結(jié)合工程實(shí)際，探討了盾構(gòu)施工土壓力的確定原理；建立了隧道開挖面穩(wěn)定的極限狀態(tài)方程，運(yùn)用具有全局優(yōu)化能力的遺傳算法，對(duì)其進(jìn)行了可靠度分析。本文除能夠科學(xué)合理的評(píng)價(jià)開挖面的穩(wěn)定程度外，對(duì)于盾構(gòu)施工過程中合理地確定開挖面支護(hù)壓力也具有一定的參考作用?！　?duì)于隧道施工過程中的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，目前還沒有一個(gè)高效、通用的可靠度計(jì)算方法。本文通過圍巖應(yīng)力釋放系數(shù)，用二維問題來對(duì)隧道開挖過程進(jìn)行準(zhǔn)三維分析。將施工過程中的隧道視為時(shí)變結(jié)構(gòu)，建立了初期支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠度幾何優(yōu)化模型。針對(duì)該模型搜索區(qū)域大而可行區(qū)域小的特點(diǎn)，提出了基于改進(jìn)遺傳算法的可靠度計(jì)算方法，并用蒙特卡羅直接重要抽樣方法對(duì)本文方法的求解精度進(jìn)行了驗(yàn)證。然后用本文方法分別求得了在不同開挖速度工況下初期支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)隨時(shí)間變化的關(guān)系。另外，還對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠度進(jìn)行了敏感性分析，對(duì)明確隧道施工質(zhì)量控制重點(diǎn)具有指導(dǎo)意義。　　2、使用期隧道空間結(jié)構(gòu)體系可靠度和抗震可靠度研究針對(duì)求解隧道空間結(jié)構(gòu)體系可靠度問題，做了如下工作。首先，在地質(zhì)統(tǒng)計(jì)理論的基礎(chǔ)上，提出了圍巖物性參數(shù)等效方差增大函數(shù)這一概念，將同級(jí)圍巖長(zhǎng)度范圍內(nèi)圍巖對(duì)襯砌空間作用的變異性簡(jiǎn)化為平面問題。其次，運(yùn)用Weibull--Boaorna脆性破壞統(tǒng)計(jì)理論，求得二次襯砌空間結(jié)構(gòu)等效抗力，從而將同級(jí)圍巖長(zhǎng)度范圍內(nèi)的隧道空間結(jié)構(gòu)體系可靠度問題化為平面問題。最后，探討了隧道結(jié)構(gòu)破壞的主要失效模式及其體系可靠度計(jì)算方法。文中以某隧道為例，對(duì)其進(jìn)行了空間結(jié)構(gòu)體系可靠度評(píng)估。本研究成果為實(shí)現(xiàn)隧道空間結(jié)構(gòu)體系可靠度評(píng)估開辟了一條新的途徑。　　從隧道結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)譜出發(fā)，基于地層反應(yīng)位移法，運(yùn)用誤差傳遞函數(shù)，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行不確定性分析，得出隧道結(jié)構(gòu)在地震作用下最不利內(nèi)力的統(tǒng)計(jì)特征。建立了隧道結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)方程，開發(fā)了基于MATLAB優(yōu)化工具箱的工程結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算方法。以某隧道V級(jí)圍巖淺埋段為例，分別求解了小震、中震及大震作用下隧道結(jié)構(gòu)最不利位置處的可靠度指標(biāo)。從所求結(jié)果可以看出，隨著震級(jí)的升高，隧道結(jié)構(gòu)可靠度明顯降低?！　?、老化期隧道結(jié)構(gòu)可靠度研究　　立足于現(xiàn)行計(jì)算理論，對(duì)由于銹蝕引起小偏心受壓構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能退化和破壞特征進(jìn)行了分析，推導(dǎo)了隧道結(jié)構(gòu)小偏心受壓的時(shí)變承載能力極限狀態(tài)方程。針對(duì)隧道工程中存在的大量不確定性，將圍巖產(chǎn)生的粘性變形作為其彈性變形的初始變形，在線彈性有限元分析理論的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了圍巖粘彈性隨機(jī)有限元增量列式，并編制了粘彈性隨機(jī)有限元程序，計(jì)算了某隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)不同時(shí)刻的內(nèi)力及其標(biāo)準(zhǔn)差。以二次襯砌拱頂處為例，探討了混凝土強(qiáng)度折減系數(shù)野對(duì)可靠度指標(biāo)的影響，并對(duì)二次襯砌結(jié)構(gòu)三個(gè)控制截面不同時(shí)刻的可靠度進(jìn)行了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)隨時(shí)間的延長(zhǎng)而幾乎呈線性衰減，并對(duì)可靠度指標(biāo)的衰減原因進(jìn)行了分析。這對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)日常管理、維護(hù)、加固等環(huán)節(jié)具有一定的實(shí)用價(jià)值和理論意義?！　?

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