[發明專利]一種基于波速測定的地鐵隧道管片服役性能檢測方法

有效

• 申請號: 201210424706.1
• 申請日: 2012-10-31
• 公開（公告）號: CN102955004A
• 公開（公告）日: 2013-03-06
• 發明（設計）人: 謝雄耀;周彪;王慶國;馮雷;劉洪波;郁宏杰
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G01N29/07
• 分類號: G01N29/07
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 張磊

1.一種基于波速測定的地鐵隧道管片服役性能檢測方法，其特征在于具體步驟如下：?

(1)根據設計資料計算隧道結構頻散和響應特性

兩車站之間的區間隧道為一超長線性結構，將其近似等價為一無限延伸的空心管狀結構，根據無限延伸的空間管狀結構的力學特性和薄壁殼體理論，其徑向位移響應u，切線方向位移響應v，縱向位移響應w通過求解下述式（1）~式（3）獲得：

（1）

??（2）

?????????????????（3）

其中：q_x，q_y，q_z?分別為空心管狀結構荷載作用點處徑向、切線和縱向方向荷載，式（1）為沿縱向方向平衡方程，式（2）為沿作用點切向方向平衡方程，式（3）為作用點徑向方向平衡方程；a為殼體圓心到壁厚中點距離，h為管壁厚度，為圓周上距離作用點的弧度，t表示響應時刻，E,和分別為殼體彈性模量，材料密度和泊松比；

對上式進行二維傅立葉變換，可求得無限延伸殼體災頻率波數域內平衡方程表達式，并表示為如下矩陣形式：

????????（4）

其中在特定環向波數n條件下，，，?分別為u，v，w在頻率波數域內的表達式，，，為對應于荷載于荷載q_x，q_y，q_z在頻率波數域內的表達式，如沿x方向作用一脈沖荷載，其表達式如式（5）所示：

??????????????????（5）

[A]為根據式（1-3）確定的系數矩陣；根據式（4），可求得薄壁殼體頻率波數域內的位移響應；繼而通過反傅立葉變換求得位移響應u，v，w；

（1．1）確定各彈性波波速隨頻率變化值

通過求解式（4）中系數矩陣[A]的行列式求取對應于橫斷面環向波數n的各階模態，其中n=0對應的兩條頻散曲線分別對應于沿隧道縱向傳播的剪切波和壓縮波模態，n=1所對應的頻散曲線對應于沿隧道縱向彎曲波模態，n大于2分別對應于隧道橫斷面平面內彎曲波模態；通過計算上述頻散曲線斜率獲取各種彈性波波速隨頻率的變化值；

（1．2）不同激發方式下通過測點間相位差來判定波速

當在隧道某一斷面分別沿徑向和縱向分別作用一脈沖激勵時，由于所激發的振動彈性波種類以及傳播速度不同，因而在距離荷載作用斷面某一距離L_z處響應情況存在差異；其中相位特征是研究結構體振動特性的一個重要指標，從相位的變化上可以反映出結構某點出所經過的各類振動波傳播速度的變化；根據模態頻散理論，距離作用點L_z處與作用點處相位差會隨頻率逐漸增加，其計算公式為：

????????（6）

其中：為計算系數，計算彎曲和剪切波時取0.5，計算壓縮波時取1，為與作用點處的相位差，為頻率差，c_n(?f?)為對應彈性波的傳播速度，從頻散曲線上看即為某一頻散曲線的切線斜率；根據上式即可通過測試兩點間的相位差來測定結構中相應振動波的波速；

(2)確定測試間距和測試方向

（2．1）測試方向確定

同時由于實際運營隧道中隧道埋置于土體中，土體會對振動波傳播產生影響，同時不同激發方式所傳播規律亦有差異；可以通過耦合一空心管狀土體模型，采用劍橋大學雙管模型計算其相位變化規律；經研究發現當作用徑向脈沖激勵時，徑向方向總體響應包括縱向彎曲波第一階模態以及n大于2的各階平面彎曲模態；當作用徑向荷載時，距離荷載作用點處包含多種彈性波且彎曲波傳播速度隨頻率成非線性變化，僅在平面彎曲模態開始以及彎曲波傳播速度與頻率成線性的狹小頻帶內進行測試，較難獲取振動波傳播速度等有效的信息；

當作用縱向作用力時，響應僅包括壓縮波以及n=1所對應的縱向彎曲波第二模態；在第二階彎曲模態出現前，即頻率小于第二階縱向彎曲模態截止頻率之前，相位均勻變化，可測試得到兩測點間的相位差，從而精確的計算出傳播波速；

沿縱向即隧道延伸方向施加脈沖荷載時振動響應在一定頻率范圍內僅包含單一模態，因而相位變化穩定，適合與確定彈性波波速；沿徑向激發可以在狹小頻帶范圍內獲取彎曲波波速；

（2.2）測點布置間距確定

根據式（6）當兩測點間距離L_z越大相位變化對波速變化越敏感，在實際測量時，考慮到力錘脈沖源頻率范圍以及彈性波衰減和管片檢測范圍的要求，兩測點距離L_z取為20-30m；

(3)現場布置和數據采集

根據前述步驟(2)中所確定的測點布置間距和測點測試方向，在隧道壁手孔內布置加速度或速度傳感器，短期測量采用膠水固定，長期測量去用螺釘固定；傳輸方式可采用有線或無線的方式，通過力錘激發脈沖波，運用數字信號采集系統收集振動信號；

(4)信號后處理及計算相位確定波速

在實際測量中，由于包含噪音，利用HHT變換去除噪音和進行模態分離，以此為基礎進行測點間互譜分析，獲取兩測點間的相位差，而后根據公式（6）計算出測試彈性波波速；

(5)通過波速重新反算結構參數及判斷服役性能

通過提取上述相關彈性波的波速，并根據式（4）反算結構的彈模參數，從而判定其結構服役性能。