隧道结构生命全过程可靠度研究

论文摘要

隧道结构生命全过程由施工期、使用期和老化期三个阶段构成。在施工期隧道围岩中原有应力平衡被破坏，喷射混凝土及锚杆的强度还在增长过程当中，随时可能遇到各种险情。隧道进入老化期后，受到自然环境和使用环境腐蚀介质的长期作用，导致结构抗力不断下降，且由于围岩介质具有流变效应，衬砌所受到的作用不断增长，导致隧道结构在这一时期呈现较高的风险。风险率较低的使用期，在灾害性地震作用下，隧道结构风险率又上升到较高的水平，有关研究目前尚不充分。在隧道结构可靠度已有研究成果的基础上，抓住隧道结构生命全过程三个阶段的特征进行研究，是隧道结构可靠度研究的一个新的拓展，对于保证隧道结构的安全性、适用性、耐久性和经济性具有重要的指导意义。为此本文以隧道结构生命周期全过程为主线，开展了以下几方面的研究工作：1、施工期盾构隧道开挖面稳定及初期支护结构可靠度研究采用数值模拟方法，研究了隧道开挖面的极限支护压力；以不同工况下地层参数及其极限支护压力比为样本，待BP神经网络训练完毕后，即可预测大量给定地层参数工况下开挖面的极限支护压力比，对其进行统计分析，得到概率分布特征；在理论分析的基础上并结合工程实际，探讨了盾构施工土压力的确定原理；建立了隧道开挖面稳定的极限状态方程，运用具有全局优化能力的遗传算法，对其进行了可靠度分析。本文除能够科学合理的评价开挖面的稳定程度外，对于盾构施工过程中合理地确定开挖面支护压力也具有一定的参考作用。对于隧道施工过程中的初期支护结构，目前还没有一个高效、通用的可靠度计算方法。本文通过围岩应力释放系数，用二维问题来对隧道开挖过程进行准三维分析。将施工过程中的隧道视为时变结构，建立了初期支护结构可靠度几何优化模型。针对该模型搜索区域大而可行区域小的特点，提出了基于改进遗传算法的可靠度计算方法，并用蒙特卡罗直接重要抽样方法对本文方法的求解精度进行了验证。然后用本文方法分别求得了在不同开挖速度工况下初期支护结构可靠度指标随时间变化的关系。另外，还对初期支护结构可靠度进行了敏感性分析，对明确隧道施工质量控制重点具有指导意义。2、使用期隧道空间结构体系可靠度和抗震可靠度研究针对求解隧道空间结构体系可靠度问题，做了如下工作。首先，在地质统计理论的基础上，提出了围岩物性参数等效方差增大函数这一概念，将同级围岩长度范围内围岩对衬砌空间作用的变异性简化为平面问题。其次，运用Weibull—Бологин脆性破坏统计理论，求得二次衬砌空间结构等效抗力，从而将同级围岩长度范围内的隧道空间结构体系可靠度问题化为平面问题。最后，探讨了隧道结构破坏的主要失效模式及其体系可靠度计算方法。文中以某隧道为例，对其进行了空间结构体系可靠度评估。本研究成果为实现隧道空间结构体系可靠度评估开辟了一条新的途径。从隧道结构地震反应谱出发，基于地层反应位移法，运用误差传递函数，对隧道结构进行不确定性分析，得出隧道结构在地震作用下最不利内力的统计特征。建立了隧道结构承载能力极限状态方程，开发了基于MATLAB优化工具箱的工程结构可靠度计算方法。以某隧道Ⅴ级围岩浅埋段为例，分别求解了小震、中震及大震作用下隧道结构最不利位置处的可靠度指标。从所求结果可以看出，随着震级的升高，隧道结构可靠度明显降低。3、老化期隧道结构可靠度研究立足于现行计算理论，对由于锈蚀引起小偏心受压构件的结构性能退化和破坏特征进行了分析，推导了隧道结构小偏心受压的时变承载能力极限状态方程。针对隧道工程中存在的大量不确定性，将围岩产生的粘性变形作为其弹性变形的初始变形，在线弹性有限元分析理论的基础上，推导了围岩粘弹性随机有限元增量列式，并编制了粘弹性随机有限元程序，计算了某隧道二次衬砌结构不同时刻的内力及其标准差。以二次衬砌拱顶处为例，探讨了混凝土强度折减系数η对可靠度指标的影响，并对二次衬砌结构三个控制截面不同时刻的可靠度进行了评估，发现隧道结构可靠度指标随时间的延长而几乎呈线性衰减，并对可靠度指标的衰减原因进行了分析。这对于隧道结构日常管理、维护、加固等环节具有一定的实用价值和理论意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 工程结构可靠性理论研究概述
• 1.2.1 结构可靠性基本理论与方法
• 1.2.2 结构体系可靠度
• 1.2.3 钢筋混凝土结构施工期和老化期可靠度
• 1.3 隧道结构设计模型概述
• 1.3.1 连续介质模型
• 1.3.2 作用—反作用模型
• 1.3.3 收敛—约束模型
• 1.3.4 工程类比法
• 1.4 隧道及地下结构可靠度国内外研究现状
• 1.4.1 施工期可靠度国内外研究现状
• 1.4.2 使用期可靠度国内外研究现状
• 1.4.3 老化期可靠度国内外研究现状
• 1.5 本文的主要工作
• 2 盾构隧道开挖面稳定的可靠度研究
• 2.1 开挖面稳定的极限状态方程
• 2.1.1 开挖面极限支护压力
• 2.1.2 隧道开挖面失稳判据
• 2.1.3 BP神经网络
• 2.1.4 盾构施工土压力的设定原理
• 2.1.5 开挖面稳定的极限状态方程
• 2.2 开挖面稳定的可靠度计算方法
• 2.2.1 遗传算法简介
• 2.2.2 遗传算法的模式定理
• 2.2.3 建立优化方法求可靠度指标β的数学模型
• 2.3 算例
• 2.4 本章小结
• 3 隧道初期支护结构可靠度研究
• 3.1 隧道施工力学性态分析
• 3.1.1 新奥法施工基本理念
• 3.1.2 位移释放系数与开挖面空间效应
• 3.1.3 围岩释放应力变化规律
• 3.2 隧道初期支护结构可靠度计算方法研究
• 3.2.1 建立可靠度几何优化模型
• 3.2.2 基于改进遗传算法的可靠度计算方法
• 3.2.3 结构可靠度分析的蒙特卡罗法
• 3.2.4 算例
• 3.3 隧道初期支护结构可靠度的敏感性分析
• 3.3.1 结构可靠度分析的一次二阶矩法
• 3.3.2 敏感性分析
• 3.4 本章小结
• 4 使用期隧道空间结构体系可靠度研究
• 4.1 围岩压力
• 4.1.1 浅埋隧道围岩压力的确定方法
• 4.1.2 深埋隧道围岩压力的确定方法
• 4.1.3 围岩物性参数空间等效方差增大函数
• 4.2 隧道空间结构抗力
• 4.2.1 Weibull—Бологин理论
• 4.2.2 素混凝土衬砌偏压构件抗力计算公式
• 4.2.3 对称配筋混凝土矩形衬砌偏压构件抗力计算公式
• 4.3 钢筋混凝土小偏压隧道结构的主要失效模式及其体系可靠度计算方法
• 4.3.1 钢筋混凝土小偏压隧道结构的主要失效模式
• 4.3.2 隧道结构体系可靠度计算方法
• 4.3.3 算例
• 4.4 本章小结
• 5 使用期隧道结构抗震可靠度研究
• 5.1 隧道结构抗震设计计算方法
• 5.1.1 反应位移法
• 5.1.2 抗震设计中的地层位移
• 5.1.3 地下地震动加速度幅值变化规律
• 5.2 在地震作用下隧道结构内力不确定性研究
• 5.2.1 地面峰值加速度的统计特征
• 5.2.2 地层弹簧系数的确定及其统计特征
• 5.2.3 二次衬砌的厚度的统计特征
• 5.2.4 二次衬砌混凝土弹性模量的统计特征
• 5.2.5 二次衬砌内力统计特征
• 5.3 建立隧道结构承载能力极限状态方程
• 5.4 基于MATLAB优化工具箱的工程结构可靠度计算方法
• 5.4.1 建立优化方法求可靠度指标β的数学模型
• 5.4.2 相关随机变量的独立化
• 5.4.3 可靠度指标β的求解步骤
• 5.4.4 算例
• 5.5 本章小结
• 6 老化期隧道结构可靠度研究
• 6.1 小偏心受压构件时变承载力计算公式
• 6.1.1 钢筋锈蚀模型
• 6.1.2 混凝土抗压强度的时变模型
• 6.1.3 混凝土截面几何损伤
• 6.1.4 锈蚀钢筋粘结性能的退化
• 6.1.5 隧道结构时变承载力极限状态方程
• 6.2 粘弹性随机有限元
• 6.2.1 粘弹性本构关系
• 6.2.2 基于增量初应变法的粘弹性随机有限元计算格式
• 6.2.3 算例
• 6.3 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 论文创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文及参加科研项目情况
• 致谢