甬江水底隧道运行性能分析与健康监测系统设计实现

论文摘要

与轮渡、桥梁相比,水底隧道受台风等自然灾害影响小、受江河(海湾)地形变迁影响小、对通航影响小、对原自然景观破坏小、受战争破坏可能性小,其逐渐成为跨越江河(海湾)的主要形式。然而,水底隧道的使用期一般长达几十年,甚至上百年,其在服役过程中不可避免地将发生损伤累积和抗力衰减,从而导致抵抗自然灾害的能力下降,甚至引起灾难性后果,因此对其进行健康监测十分必要。本文结合甬江水底隧道工程,对水底隧道运行性能与健康监测系统进行研究,主要研究内容包括:首先根据设计资料建立了甬江水底隧道的空间有限元模型,并对其进行了静力分析和动力模态分析,得到了管段结构变形、应力在管段横向和纵向的分布情况以及隧道结构的动力特性,从而为健康监测系统设计提供了基础。其次,推导了单层弹性地基模型在正弦波形周期荷载、三角形周期荷载、梯形周期荷载及矩形周期荷载等常见周期荷载作用下的一维固结解析解答,在此基础上,分析了甬江水底隧道在潮汐荷载、淤积清淤荷载及初始荷载作用下的固结性状。最后,设计了甬江水底隧道健康监测系统,包括监测内容的选择、传感器选型和系统的组成及实现;研究了甬江水底隧道结构安全评定、安全预测及健康状态预(报)警机制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 水底隧道的发展概况
• 1.3 国内外结构健康监测的研究现状
• 1.3.1 结构健康监测体系
• 1.3.2 结构健康监测的应用现状
• 1.3.3 隧道结构健康监测发展现状
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 甬江水底隧道有限元分析
• 2.1 引言
• 2.2 甬江水底隧道工程
• 2.2.1 工程概况
• 2.2.2 工程地质及水文气象条件
• 2.2.3 沉管隧道结构
• 2.3 甬江水底隧道有限元模型
• 2.3.1 模型简化
• 2.3.2 单元类型选取
• 2.3.3 边界条件处理
• 2.3.4 甬江水底隧道有限元模型的建立
• 2.4 甬江水底隧道静力性能分析
• 2.4.1 荷载及其组合
• 2.4.2 荷载计算
• 2.4.3 静力计算结果分析
• 2.5 甬江水底隧道动力特性分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 甬江水底隧道固结沉降分析
• 3.1 引言
• 3.2 变荷载作用下不透水单层弹性地基模型一维固结分析
• 3.2.1 计算模型
• 3.2.2 任意荷载作用下的解答
• 3.2.3 任意周期荷载作用下的解答
• 3.2.4 常见周期荷载作用下的解答
• 3.3 甬江水底隧道固结沉降分析
• 3.3.1 计算模型及参数选取
• 3.3.2 潮汐荷载作用下的固结沉降分析
• 3.3.3 淤积清淤荷载作用下的固结沉降分析
• 3.3.4 甬江水底隧道固结沉降分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 甬江水底隧道健康监测系统设计与实施
• 4.1 引言
• 4.2 甬江水底隧道健康监测系统简介
• 4.2.1 健康监测的目的
• 4.2.2 健康监测的内容
• 4.2.3 健康监测的系统组成
• 4.3 甬江水底隧道健康监测系统设计
• 4.3.1 隧道不均匀沉降监测
• 4.3.2 管段接头变形监测
• 4.3.3 E1 管段斜裂缝监测
• 4.3.4 混凝土应变监测
• 4.3.5 裂缝处钢筋腐蚀监测
• 4.4 结构安全评定与预测
• 4.4.1 损伤探测
• 4.4.2 结构安全评定
• 4.4.3 结构安全预测
• 4.5 结构健康状态预（报）警
• 4.6 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢