盾构衬砌侵蚀环境全寿命结构性能及可靠度评价研究

摘要

盾构隧道以其掘进速度快、自动化程度高、受气候限制小等优势已广泛应用于各领域，其设计使用年限为100年及以上。但实际服役过程中，由于服役环境、受力均较复杂，其健康服役问题会随着年限的增加而日益暴露。且盾构隧道建造成本高、服役期长、破坏危险性大，因此，保证盾构隧道的绝对安全可靠显得尤为重要。在此背景下，本文对侵蚀环境下盾构衬砌结构全寿命服役性能及可靠度评价进行了相关研究。 首先，对盾构衬砌常见的腐蚀因素进行总结归纳，并对各类破坏机理进行详细的总结研究，在此基础上，提出了盾构衬砌腐蚀损伤计算的关键参数及其全寿命衰减模式；同时，详细的介绍了现有的盾构结构计算荷载确定方法和计算理论，并基于有限元方法，建立一种可考虑腐蚀机理差异性、土层的约束作用、接头刚度时效性、多时空多工况的隧道衬砌全寿命结构性能退化的理论计算模型。 其次，简单介绍了结构可靠度理论的基本概念，总结了中心点法、设计验算点法、JC法、蒙特卡洛法及响应面法五种结构可靠度分析常用方法。在现有的可靠度计算理论基础上，基于响应面法，结合衬砌全寿命结构有限元计算模型，建立了位移形式的衬砌结构极限状态方程，通过JC法将非正态分布的随机变量做当量正态化，然后通过设计验算点法，建立了侵蚀环境下盾构衬砌全寿命结构可靠度分析模型。 最后，通过MATLAB GUI编制和开发了盾构衬砌侵蚀环境全寿命性能及可靠度评价软件，并结合工程实例，对广州市地下排水盾构管道100年使用期内结构性能进行分析；揭示了污水盾构管道全寿命期结构性能退化基本规律，得到了盾构管道结构最不利损伤区域位置，以及相应的可靠度与失效概率。 结果表明，在响应面法中采用位移形式极限状态方程进行盾构衬砌整体结构可靠度评价的方法，能够较好的适用于功能函数高度非线性的盾构隧道结构可靠度计算，这也体现了以上模型的正确性和可操作性。研究结果可为盾构隧道全寿命结构耐久性设计及维护提供科学依据和理论指导。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容与创新点

第2章 盾构衬砌结构腐蚀损伤计算模型的建立

2.1 盾构衬砌腐蚀机理

2.2 盾构衬砌结构计算理论

2.3 衬砌结构侵蚀环境有限元模型的建立

2.4模型实现的关键问题

2.5 本章小结

第3章 盾构衬砌结构腐蚀损伤可靠度评价

3.1可靠度的基本概念

3.2 可靠度分析的常用方法

3.3 基于响应面法的可靠度计算

3.4 本章小结

第4章 模型的实现与应用开发

4.1 MATLAB GUI

4.2 软件设计过程

4.3 软件的主要模块及其界面

4.4 本章小结

第5章 工程实例分析

5.1 工程背景

5.2 损伤参数设置

5.3 计算分析

5.4 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间的研究成果