地铁车站结构健康监测研究

论文摘要

地铁车站结构在长期服役过程中,由于环境腐蚀、材料老化、荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用,将不可避免地导致结构产生损伤积累、抗力减小,甚至在极端情况下导致结构失效。如果能够对地铁车站结构进行健康监测,将会大大降低事故发生的可能性并减少事故损失。因此地铁车站结构健康监测技术将成为确保结构安全的重要技术。本文以北京地铁10号线地铁车站国贸站为工程背景,对地铁车站结构健康监测理论进行了研究,首次建立了地铁车站结构健康监测系统,并进行2年的结构监测。地铁车站底板大多属于大体积混凝土结构,水泥水化产生大量水化热,容易产生温度裂缝。本文基于等效时间的水化热理论,求解结构温度场,并将该理论应用于地铁车站结构底板温度场的仿真计算中。计算模拟温度场与光纤光栅传感器和振弦传感器测试结果吻合良好。对影响混凝土内部与外部温差的环境温度和板厚进行参数分析,表明温度升高底板中部与上部温差减小,底板中部与下部温差增大;底板厚度增加底板中部与上部温差以及底板中部与下部温差都增大。开展了基于混凝土徐变理论的健康监测分析。基于混凝土双参数徐变模型分析了地铁车站中隔板应变。考虑早龄期徐变计算结果与测试结果总体上更接近,不考虑早龄期徐变计算结果存在较大误差。计算表明早龄期混凝土徐变增大了结构拉应变,对结构早龄期开裂有着重要影响,结构设计和裂缝控制需要考虑早龄期混凝土徐变的影响。基于混凝土徐变B3计算模型和继效流动理论计算模型,分析了北京地铁新型抗渗混凝土结构长期徐变性能,并且基于混凝土B3徐变计算模型对影响混凝土长期徐变的环境湿度、水灰比和骨料水泥比进行了参数分析。由于地下结构的动力响应受周围地基土壤的约束作用显著,其动力响应不如地面结构显著,其研究尚未引起足够重视。本文对地铁车站通过实际监测和理论研究,分析了地铁列车荷载对车站结构动力响应的影响。结果显示车振对地铁车站结构应力影响较小。温度对结构动力行为的影响是结构动力学研究的新方向。本文在理论上推导了在特定边界条件下,温度变化对梁和板结构固有频率影响的方程。基于Kanai-Tajimi模型和三角级数迭加法人工模拟了地震波,在人工模拟地震作用下分析了地铁车站抗震性能。计算表明水平方向地震作用对拱脚和墙脚应力影响较大,拱脚水平方向应力和墙脚水平方向应力分别为初始应力的1.46倍和1.61倍,拱脚竖直方向应力和墙脚竖直方向应力分别为初始应力的1.34倍和1.59倍;竖直方向地震作用对拱顶、拱脚、中隔板跨中、底板跨中、墙脚水平方向应力均有较大影响,对底板跨中水平方向应力影响最大,达到初始应力的3.30倍;对拱脚和墙脚竖直方向应力有较大影响,最大应力分别为初始应力的2.78和2.72倍。同时考虑温度因素的影响,20℃的温度变化对地铁车站结构地震作用应力影响最大达到9.6%,但应力幅值只0.24MPa。首次提出了地铁车站结构健康监测设计方法,并结合北京地铁10号线国贸站建立国贸站健康监测系统。主要监测结构温度、应变、裂缝、徐变等。采集到大量监测数据,并对数据进行了分析。光纤光栅传感器和振弦传感器监测到的同一部位温度和应变数据吻合良好,获得结构受力体系变化时结构应变的变化,以及监测到异常荷载。表明监测系统中布设传感器性能可靠,监测数据可信。开发了基于OpenGL和GIS技术开发的国贸站结构健康监测系统。该系统能采集、分析、管理数据;能实现危险状况预警。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 论文研究背景及意义
• 1.1.1 背景
• 1.1.2 意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 结构健康监测系统组成
• 1.2.2 结构健康监测应用研究
• 1.2.3 结构健康监测研究方向
• 1.3 主要内容及创新点
• 1.3.1 主要内容
• 1.3.2 创新点
• 2 地铁车站结构混凝土水化热分析
• 2.1 混凝土水化热研究及理论
• 2.1.1 混凝土水化热研究
• 2.1.2 水化热基本理论
• 2.1.3 等效时间理论
• 2.2 混凝土结构水化热分析
• 2.2.1 混凝土结构水化热分析模型验证
• 2.2.2 地铁车站结构水化热温度场模拟
• 2.2.3 地铁车站结构混凝土水化热参数分析
• 2.3 本章小结
• 3 混凝土徐变对地铁车站结构性能影响分析
• 3.1 混凝土徐变研究
• 3.1.1 混凝土徐变性能研究
• 3.1.2 混凝土徐变模型
• 3.2 早龄期混凝土徐变对结构性能影响
• 3.2.1 早龄期混凝土徐变分析
• 3.2.2 地铁车站结构早龄期徐变
• 3.3 混凝土长期徐变对地铁车站结构性能影响
• 3.3.1 新型抗渗混凝土徐变分析
• 3.3.2 新型抗渗混凝土徐变度参数分析
• 3.4 本章小结
• 4 车振和地震对地铁车站结构动力响应影响分析
• 4.1 地铁车站结构性能研究
• 4.1.1 地铁车站结构抗震分析方法
• 4.1.2 地震和车振对地铁车站结构性能影响研究
• 4.2 车振对地铁车站结构动力响应影响分析
• 4.2.1 地铁车站结构分析模型
• 4.2.2 地铁车站结构动力计算方法
• 4.2.3 列车荷载模拟
• 4.2.4 列车振动对车站结构动力性能影响分析
• 4.3 地震对地铁车站结构动力响应影响分析
• 4.3.1 人工地震动模拟
• 4.3.2 水平地震作用对地铁车站结构抗震性能影响分析
• 4.3.3 竖直地震作用对地铁车站结构抗震性能影响分析
• 4.4 温度对地铁车站结构抗震性能影响分析
• 4.4.1 温度对结构动力特性影响
• 4.4.2 水平地震作用下温度对地铁车站结构抗震性能影响分析
• 4.4.3 竖直地震作用下温度对地铁车站结构抗震性能影响分析
• 4.5 本章小结
• 5 地铁车站结构健康监测系统设计方法
• 5.1 地铁车站结构健康监测系统总体设计
• 5.1.1 健康监测内容
• 5.1.2 健康监测系统等级
• 5.1.3 健康监测系统的功能
• 5.2 数据采集与传输系统设计
• 5.2.1 传感系统设计
• 5.2.2 数据采集系统的硬件
• 5.2.3 数据采集系统的软件
• 5.2.4 数据采集与存储策略
• 5.2.5 数据传输系统设计
• 5.3 数据分析与预警系统设计
• 5.3.1 数据分析技术
• 5.3.2 预警系统设计
• 5.4 集成系统设计
• 5.5 本章小结
• 6 北京地铁国贸站健康监测系统
• 6.1 国贸站健康监测系统
• 6.1.1 国贸站概况
• 6.1.2 国贸站健康监测实施
• 6.1.3 国贸站健康监测信息管理系统
• 6.2 国贸站监测数据分析
• 6.2.1 环境温湿度监测
• 6.2.2 结构温度监测
• 6.2.3 结构应变监测
• 6.2.4 结构裂缝监测
• 6.2.5 监测数据分析
• 6.3 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录 A
• A1 光纤光栅传感器
• A1.1 埋入式光纤光栅应变传感器
• A1.2 埋入式光纤光栅温度传感器
• A1.3 长标距应变传感器
• A1.4 光纤光栅复合智能筋
• A2 光纤光栅传感器性能试验
• A2.1 光纤光栅应变灵敏系数
• A2.2 光纤光栅传感器重复性
• A3 说明
• 作者简历
• 学位论文数据集