水中懸浮隧道結(jié)構(gòu)疲勞損傷與可靠性研究項(xiàng)目摘要

水中懸浮隧道在世界范圍內(nèi)尚無(wú)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(duì)象，利用懸浮隧道模型試驗(yàn)平臺(tái)，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(duì)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(dòng)作用下的疲勞和損傷特性進(jìn)行測(cè)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(dòng)荷載影響下的疲勞損傷與破壞模式，為評(píng)價(jià)懸浮隧道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)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(dòng)力學(xué)響應(yīng)的測(cè)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(píng)估方法，并評(píng)價(jià)水中懸浮隧道在洋流環(huán)境作用下的可靠性。

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(duì)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(qǐng)所提出的主要研究?jī)?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(dòng)，可明顯改善隧道結(jié)構(gòu)的受力。對(duì)于用錨索支撐的懸浮隧道而言，因錨索過大的長(zhǎng)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(dòng)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(zhǎng)。 阻尼對(duì)錨索動(dòng)力響應(yīng)幅值影響很大，動(dòng)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(duì)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(zhǎng)其使用壽命。綜合分析后得出懸浮隧道錨索的橫向振動(dòng)位移、振動(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)力響應(yīng)呈簡(jiǎn)諧函數(shù)變化，并且振動(dòng)的一階模態(tài)起主導(dǎo)作用，因而對(duì)懸浮隧道進(jìn)行動(dòng)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(duì)數(shù)分布。懸浮隧道在渦激振動(dòng)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(duì)隧道的跨徑非常敏感，通過對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)于懸浮隧道運(yùn)營(yíng)帶來的不利影響。在洋流作用下，采用模態(tài)疊加法對(duì)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(dòng)的重要指標(biāo)，隨著錨索密度的增加，其渦激振動(dòng)位移、應(yīng)力和損傷均顯著增加，洋流速度對(duì)錨索的渦激疲勞損傷影響最大，其次為錨索的長(zhǎng)度。由此得出，懸浮隧道在洋流渦激振動(dòng)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

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(cè)疲勞損傷的最大可能性。

疲勞損傷評(píng)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(cè)期。疲勞損傷擴(kuò)展間隔是從首次檢測(cè)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(cè)期隨著所應(yīng)用的檢查方法及檢測(cè)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(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

(5)適用的檢查等級(jí)和方法(如目視、無(wú)損檢測(cè))，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(cè)的能衡量損傷情況的變量。2100433B