水中懸浮隧道結(jié)構(gòu)疲勞損傷與可靠性研究

本項(xiàng)目采用模型試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的研究方法，對水中懸浮隧道結(jié)構(gòu)疲勞損傷與可靠性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，完成了本項(xiàng)目申請所提出的主要研究內(nèi)容。研究所取得的成果如下：具有圓形或橢圓形橫截面形式的水中懸浮隧道可降低波流產(chǎn)生的渦激振動，可明顯改善隧道結(jié)構(gòu)的受力。對于用錨索支撐的懸浮隧道而言，因錨索過大的長細(xì)比而導(dǎo)致了較大的結(jié)構(gòu)柔度。錨索的預(yù)張力愈大，錨索的固有頻率也愈大。當(dāng)懸浮隧道受洋流渦激振動作用時(shí)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)增加時(shí)，錨索的橫向振幅減小，其疲勞壽命將降低。在剪切流中，錨索的預(yù)張力越大，錨索潛在共振模態(tài)減少，各階模態(tài)鎖定區(qū)域增加，能量也增加，其阻尼也相應(yīng)增加，錨索的疲勞壽命得到延長。 阻尼對錨索動力響應(yīng)幅值影響很大，動水阻尼力越大，消耗的能量越多，減少錨索的振幅和交變應(yīng)力循環(huán)的次數(shù)，對錨索的疲勞破壞起抑制作用。因此在應(yīng)力集中范圍內(nèi)加裝錨索的阻尼裝置，可減少錨索承受的疲勞損傷，延長其使用壽命。綜合分析后得出懸浮隧道錨索的橫向振動位移、振動周期、阻尼、預(yù)張力及其內(nèi)部的平均應(yīng)力是影響錨索疲勞壽命的關(guān)鍵因素。對于懸浮隧道結(jié)構(gòu)本身而言，當(dāng)管段結(jié)構(gòu)在洋流渦激振動作用下且存在單一的渦泄頻率時(shí)，懸浮隧道在渦激升力作用下的動力響應(yīng)呈簡諧函數(shù)變化，并且振動的一階模態(tài)起主導(dǎo)作用，因而對懸浮隧道進(jìn)行動力響應(yīng)分析時(shí)可只進(jìn)行一階模態(tài)的分析。當(dāng)升力系數(shù)和流速呈正態(tài)分布時(shí)，通過蒙特卡洛法模擬得到渦激升力幅值的概率分布符合極值Ⅰ型，隧道管段的跨中彎矩響應(yīng)、支座剪力響應(yīng)、跨中位移響應(yīng)均服從對數(shù)分布。懸浮隧道在渦激振動下其結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)為彎曲強(qiáng)度所控制，其可靠性對隧道的跨徑非常敏感，通過對結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)度失效概率的分析，其跨徑不宜超過100m。因此水下懸浮隧道的跨度宜控制在100m以內(nèi)。對于采用墩柱式支撐的懸浮隧道而言，此種支撐方式在靜水壓和定常流綜合作用下對懸浮隧道及其接頭的變形能夠起到很好的約束作用，可有效地防止過大位移對于懸浮隧道運(yùn)營帶來的不利影響。在洋流作用下，采用模態(tài)疊加法對懸浮隧道錨索的渦激疲勞損傷進(jìn)行分析，結(jié)果表明錨索的密度是影響錨索渦激振動的重要指標(biāo)，隨著錨索密度的增加，其渦激振動位移、應(yīng)力和損傷均顯著增加，洋流速度對錨索的渦激疲勞損傷影響最大，其次為錨索的長度。由此得出，懸浮隧道在洋流渦激振動作用下，錨索的流致疲勞損傷是影響懸浮隧道耐久性與可靠性的重要因素。 2100433B

水中懸浮隧道在世界范圍內(nèi)尚無成功應(yīng)用的工程實(shí)例。本項(xiàng)目以錨索方式支撐的水中懸浮為研究對象，利用懸浮隧道模型試驗(yàn)平臺，采用模型試驗(yàn)、理論分析以及數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的研究方法，重點(diǎn)對具有圓形和橢圓形斷面的錨索式水中懸浮隧道管段結(jié)構(gòu)及其錨索系統(tǒng)在洋流隨機(jī)振動作用下的疲勞和損傷特性進(jìn)行測試與研究，以分析懸浮隧道結(jié)構(gòu)和錨索受外部洋流和內(nèi)部車輛等交變動荷載影響下的疲勞損傷與破壞模式，為評價(jià)懸浮隧道結(jié)構(gòu)的長期安全性提供依據(jù)。同時(shí)，利用隧道結(jié)構(gòu)和錨索體系內(nèi)的交變應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)的測試與分析結(jié)果，研究影響水中懸浮隧道結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素，建立水中懸浮隧道結(jié)構(gòu)在正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)下的失效評估方法，并評價(jià)水中懸浮隧道在洋流環(huán)境作用下的可靠性。

所謂結(jié)構(gòu)疲勞損傷，是指由于重復(fù)荷載作用而引起的結(jié)構(gòu)材料性能衰減的過程，也就是通常所說的疲勞裂紋的發(fā)生、發(fā)展、形成宏觀裂紋、發(fā)生破壞的全過程。疲勞損傷與普通損傷的最大區(qū)別在于隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞中的損傷存在一個(gè)累積的過程。

疲勞損傷(Fatigue Damage，F(xiàn)D)是由于循環(huán)載荷引起的裂紋起始及其持續(xù)擴(kuò)展，這種損傷是一個(gè)累積的過程。

以飛機(jī)為例，與飛機(jī)的使用情況(飛行小時(shí)或起落次數(shù))有關(guān)。必須制訂一個(gè)檢查要求，以保證在由于某種疲勞損傷造成任何飛機(jī)的剩余強(qiáng)度低于允許水平之前，提供探測疲勞損傷的最大可能性。

疲勞損傷評定應(yīng)考慮：

(1)適用的剩余強(qiáng)度，包括多部位疲勞損傷的影響。

(2)適用的裂紋擴(kuò)展率，包括多部位或多元件疲勞損傷的影響。

(3)與疲勞損傷擴(kuò)展間隔相關(guān)的損傷檢測期。疲勞損傷擴(kuò)展間隔是從首次檢測時(shí)間(門檻值)到所規(guī)定極限尺寸(臨界的)之間的間隔。損傷檢測期隨著所應(yīng)用的檢查方法及檢測概率而變化，并受結(jié)構(gòu)部件或工藝的影響(如密封膠遮蓋住損傷部位)。

(4)檢查方法的檢測標(biāo)準(zhǔn)。

(5)適用的檢查等級和方法(如目視、無損檢測)，方位(如外部、內(nèi)部檢查)及重復(fù)檢查問隔。

有關(guān)復(fù)合材料的疲勞損傷模型大致可以分為三類：第一類模型不考慮實(shí)際的性能劣化機(jī)理，使用S－N 曲線或類似的圖，提供若干疲勞破壞準(zhǔn)則；第二類是剩余剛度或剩余強(qiáng)度的表象模型；第三類是損傷發(fā)展模型，使用一個(gè)或多個(gè)可測的能衡量損傷情況的變量。2100433B