海底水下盾構(gòu)法隧道襯砌結(jié)構(gòu)的性能衰退演化機理

本項目以海底水下盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)為主要研究對象，采用資料調(diào)研、理論分析、數(shù)值仿真和電化學(xué)腐蝕試驗、室內(nèi)模型實驗相結(jié)合的方法，針對結(jié)構(gòu)受力性能的衰退演化過程與機理開展了系統(tǒng)研究。調(diào)研了跨江越海水下盾構(gòu)隧道耐久性特征，確立了盾構(gòu)隧道耐久性主要影響因素；開展了鋼筋混凝土室內(nèi)加速銹蝕及力學(xué)加載試驗，揭示了鋼筋銹蝕引起海底水下盾構(gòu)隧道材料的劣化機理與劣化過程。根據(jù)室內(nèi)加速銹蝕試驗結(jié)果建立了基于彈性模量衰減模型的混凝土?xí)r效損傷變量，推導(dǎo)了混凝土材料損傷演化模型。采用數(shù)值分析及理論分析等研究手段，分析了腐蝕劣化管片接頭的抗彎性能，揭示了腐蝕劣化隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性能及承載能力退化規(guī)律，分析了管片接頭及自身缺陷等腐蝕劣化對管片襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，構(gòu)建了盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)性能劣化計算模型。通過考慮腐蝕劣化效應(yīng)的管片襯砌結(jié)構(gòu)相似模型試驗，研究了侵蝕環(huán)境與荷載環(huán)境聯(lián)合作用下管片襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的衰退演化規(guī)律，探明了不同腐蝕劣化區(qū)域、不同荷載條件、不同拼裝方式下海底盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的受力與形變特征，揭示了腐蝕劣化管片結(jié)構(gòu)開裂、失穩(wěn)破壞發(fā)生發(fā)展過程中受力性能的變異過程與閾值。 2100433B

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和沿海地區(qū)經(jīng)濟建設(shè)步伐的加快，跨越海峽和海灣的交通需求與日俱增，海底隧道必將成為我國今后跨越海灣、海峽等水域阻隔的重要手段，渤海灣跨海工程、杭州灣海灣工程、瓊州海峽跨海工程等世界級大型海底隧道的建設(shè)即將開展。本項研究采用資料調(diào)研、理論分析、數(shù)值仿真和電化學(xué)腐蝕試驗、室內(nèi)模型實驗相結(jié)合的方法，研究不同環(huán)境條件下海底盾構(gòu)隧道管片混凝土腐蝕劣化特征與性能、不同腐蝕劣化程度下管片接頭的力學(xué)性能，以及不同腐蝕劣化程度、不同荷載條件、不同拼裝方式下海底盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的受力與形變特征，旨在探明海底侵蝕環(huán)境與荷載環(huán)境聯(lián)合作用下管片襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的衰退、演化規(guī)律，揭示高水壓條件下管片結(jié)構(gòu)腐蝕、開裂、失穩(wěn)直至災(zāi)變潰損的發(fā)生發(fā)展過程中受力性能的變異機制與閾值，并基于此對海底盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計與性能評價提出建議和指標，以保障海底盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的長期安全性。

海底光纜是用絕緣外皮包裹的導(dǎo)線束鋪設(shè)在海底，海水可防止外界光磁波的干擾，所以海纜的信噪比較高；海底光纜通信中感受不到時間延遲；海底光纜的設(shè)計壽命為持續(xù)工作25年，而人造衛(wèi)星一般在10到15年內(nèi)就會燃料用盡。

海底光纜的基本結(jié)構(gòu)為：聚乙烯層、聚酯樹酯或瀝青層、鋼絞線層、鋁制防水層、聚碳酸酯層、銅管或鋁管、石蠟，烷烴層、光纖束等

海底光纜系統(tǒng)主要用于連接光纜和Internet，它分為岸上設(shè)備和水下設(shè)備兩大部分。岸上設(shè)備將語音、圖象、數(shù)據(jù)等通信業(yè)務(wù)打包傳輸。水下設(shè)備負責(zé)通信信號的處理、發(fā)送和接收。水下設(shè)備分為海底光纜、中繼器和“分支單元”三部分：海底光纜是其中最重要的也是最脆弱的部分。

深海光纜的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜：光纖設(shè)在U形槽塑料骨架中，槽內(nèi)填滿油膏或彈性塑料體形成纖芯。纖芯周圍用高強度的鋼絲繞包，在繞包過程中要把所有縫隙都用防水材料填滿，再在鋼絲周圍繞包一層銅帶并焊接搭縫，使鋼絲和銅管形成一個抗壓和抗拉的聯(lián)合體。在鋼絲和銅管的外面還要再加一層聚乙烯護套。這樣嚴密多層的結(jié)構(gòu)是為了保護光纖、防止斷裂以及防止海水的侵入。在有鯊魚出沒的地區(qū)，在海纜外面還要再加一層聚乙烯護套。

海底光纜的結(jié)構(gòu)要求堅固、材料輕，但不能用輕金屬鋁，因為鋁和海水會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生氫氣，氫分子會擴散到光纖的玻璃材料中，使光纖的損耗變大。因此海底光纜既要防止內(nèi)部產(chǎn)生氫氣，同時還要防止氫氣從外部滲入光纜。為此，在90年代初期，研制開發(fā)出一種涂碳或涂鈦層的光纖，能阻止氫的滲透和防止化學(xué)腐蝕。光纖接頭也要求是高強度的，要求接續(xù)保持原有光纖的強度和原有光纖的表面不受損傷。

本課題面向目前橋梁結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測領(lǐng)域尚無法考慮橋梁服役期內(nèi)由于材料性能劣化、局部損傷累積、交通流量增加等重要因素所導(dǎo)致的疲勞性能衰退的問題，研究了涉及結(jié)構(gòu)疲勞性能衰退的結(jié)構(gòu)多尺度的建模策略、模型修正和驗證技術(shù)、結(jié)構(gòu)最不利部位的疲勞損傷檢測技術(shù)、以及橋梁關(guān)鍵構(gòu)件疲勞狀態(tài)評定、壽命預(yù)測與可靠性評估等關(guān)鍵問題。一方面，結(jié)合大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，基于實時監(jiān)測信息和時間多尺度分析與信息集成、分離與提取技術(shù),研究了結(jié)構(gòu)疲勞狀態(tài)反演(反分析)的疲勞狀態(tài)識別方法，對當(dāng)前結(jié)構(gòu)響應(yīng)指紋信息進行提取并完成了程序?qū)崿F(xiàn)。另一方面，突破了單一的反分析的診斷方法，建立了以疲勞損傷累積和劣化過程分析為目標的橋梁結(jié)構(gòu)一致多尺度有限元模型，探討了多尺度模型的修正和驗證技術(shù)，基于該模型模擬和分析了橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷累積和抗力衰減的過程，并在結(jié)構(gòu)疲勞性能衰退分析基礎(chǔ)上預(yù)測結(jié)構(gòu)疲勞壽命并進行了疲勞可靠度的更新。主要研究內(nèi)容有：建立了一個兼顧結(jié)構(gòu)整體尺度、局部構(gòu)件尺度和局部細節(jié)尺度的橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型，實現(xiàn)了在同一模型上同時提取結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)、焊接細節(jié)處局部損傷累積信息；研究了基于橋梁竣工試驗的測試信息和健康監(jiān)測信息的模型修正和模型驗證技術(shù)，為結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估和失效仿真分析提供了準確的基準模型；進一步深化多尺度有限元模型，針對疲勞裂紋萌生和疲勞裂紋擴展兩個不同階段，建立了面向結(jié)構(gòu)疲勞性能衰退分析和疲勞狀態(tài)評估為目標的多尺度模型；基于橋梁監(jiān)測信息和人工檢測、無損探傷等手段獲得的橋梁結(jié)構(gòu)銹蝕、裂紋、損傷狀態(tài)修改和修正模型; 深入研究了環(huán)境參數(shù)變化和隨機性因素對結(jié)構(gòu)疲勞狀態(tài)特征指標的影響，確保在變化的環(huán)境參數(shù)下能夠準確識別結(jié)構(gòu)的疲勞狀態(tài)；創(chuàng)建了基于疲勞性能衰退過程分析進行橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵焊接構(gòu)件、纜索錨固區(qū)和鋼箱梁體系的疲勞壽命預(yù)測與時變可靠性評估方法。最后，編制了與橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)相配套的疲勞壽命和疲勞可靠性可視化的程序，以期與現(xiàn)有的疲勞狀態(tài)識別和壽命預(yù)測的軟件相集成，為大跨橋梁疲勞損傷的及早偵測和準確的壽命評估提供依據(jù)。借助本項目的資助，完成論文7篇，其中SCI收錄4篇，EI收錄3篇，完成專著1部，參與的項目“長大跨橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”，分別獲得2012年度江蘇省科技進步一等獎，和2013年度國家科技進步二等獎。已經(jīng)受理的發(fā)明專利4項。 2100433B

目前橋梁疲勞壽命預(yù)測尚無法考慮橋梁服役期內(nèi)由于材料性能劣化、局部損傷累積以及交通流量增加等重要因素所導(dǎo)致的疲勞性能衰退。本課題擬結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，建立以疲勞損傷累積過程分析為目標的橋梁結(jié)構(gòu)多尺度有限元模型，模擬和分析橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷累積和抗力衰減的過程，并在結(jié)構(gòu)疲勞性能衰退分析基礎(chǔ)上預(yù)測疲勞壽命。主要研究內(nèi)容有：建立一個兼顧結(jié)構(gòu)整體尺度、局部構(gòu)件尺度和局部細節(jié)尺度的橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型，以實現(xiàn)在同一模型上同時提取結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)、焊接細節(jié)處局部損傷累積信息；基于橋梁監(jiān)測信息和人工檢測、無損探傷等手段獲得的橋梁結(jié)構(gòu)銹蝕、裂紋、損傷狀態(tài)修改和修正模型；探索典型橋梁焊接構(gòu)件和錨固件在不同鋼結(jié)構(gòu)局部銹蝕程度上，其疲勞強度衰退模型；創(chuàng)建基于疲勞性能衰退過程分析進行橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵焊接構(gòu)件、纜索錨固區(qū)和鋼箱梁體系的疲勞壽命預(yù)測與時變可靠性評估方法，為大跨橋梁疲勞損傷的及早偵測和準確的壽命評估提供依據(jù)。