[發明專利]一種盾構隧道結構損傷評估方法

在審

• 申請號: 201710434506.7
• 申請日: 2017-06-09
• 公開（公告）號: CN107228772A
• 公開（公告）日: 2017-10-03
• 發明（設計）人: 朱宏平;羅輝;胡嫚嫚;郭昊文
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01M99/00
• 分類號: G01M99/00
• 代理公司: 武漢東喻專利代理事務所(普通合伙)42224
• 代理人: 李佑宏

技術領域

本發明屬于土木工程結構健康監測和損傷識別技術領域，具體涉及一種盾構隧道結構損傷評估方法。

背景技術

隧道結構作為城市軌道交通中的重要部分，一旦出現問題將對大家的日常生活造成巨大的影響與損失。實踐中，地下隧道的服役環境復雜，隨著服役時間的增長，隧道結構將不可避免地發生局部損傷，若不進行檢測與維護必會留下安全隱患，導致惡劣事故發生。實際上，一方面在運營過程中，車輛的動載作用等動荷載的往復運動影響，也可能使結構產生不同程度的疲勞損傷。另一方面，建筑結構普遍存在不可避免的施工初始缺陷，盡管這些缺陷十分微小，但隨著運營時間的累積和內外環境的不斷作用，初始缺陷會逐漸發展擴大，隧道結構的健康狀況會隨著運營時間的增長而逐步惡化。因此，針對隧道結構進行定期損傷檢測以預防事故的發生是十分必要的。

近年來，結構健康監測(Structural Health Monitoring，簡稱SHM)及診斷技術在土木工程結構(包括高層建筑、大型橋梁和水壩工程等)的應用中取得了長足的進展，但是這一技術應用于隧道工程中幾乎是剛剛開始起步。隨著國內外對城市軌道交通的安全運營越來越重視，城市軌道交通地下結構(主要為盾構隧道結構)的健康監測系統日漸成為研究熱點，如：無線傳感網絡技術和MEMS智能傳感節點技術在地鐵健康監測系統中的應用研究等，獲得了廣泛的關注。而關于盾構隧道損傷識別方面的研究，目前僅有少量基于數值仿真模型有所開展。理論上來說，利用海量監測數據來進行有效的盾構隧道結構損傷識別方法具有重要的理論和工程應用價值。

在現有技術中，CN201310502959公開了一種基于振動傳遞率函數的結構損傷識別方法，其將結構損傷前后振動傳遞率函數復制的小波包分解能量變化量作為損傷特征指標，利用支持向量機的模式識別功能進行結構損傷識別。該方法高度依賴結構的振型信息，但是實際上振型信息的獲取相對困難；且該方法雖然在解決小樣本、非線性及高維模式識別問題中具有一定的優勢，但是在進行精確的損傷定位以及損傷程度確認的時候，具有局限性。除此之外，《基于小波包能量譜的結構損傷預警方法研究》一文中，雖然詳細探討了利用小波包分解得到的能量比和能量比變化進行損傷識別的過程，但是該方法仍然存在較大的誤差，在進一步精確進行損傷識別時誤差較大。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種盾構隧道結構損傷評估方法。本發明技術方案的方法，采用基于數據的損傷識別方法，不需要結構的振型信息，僅利用結構損傷前后的加速度信號即可準確地進行損傷定位和損傷程度評估。此外，本發明技術方案的方法，還可以對損傷進行精確識別。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種盾構隧道結構損傷評估方法，其特征在于，包括，

S1根據盾構隧道的參數建立無損傷工況的盾構隧道結構模型，在該模型上施加荷載，得到相應測點的無損傷加速度響應信號；

S2根據盾構隧道的參數建立具有損傷工況的盾構隧道結構模型，在該模型上施加所述荷載，得到相應測點的有損傷加速度響應信號；

S3對所述無損傷加速度響應和有損傷加速度響應信號分別進行小波包分解，獲得每個頻帶的小波包能量；

S4計算所述測點對應的無損傷加速度響應信號和有損傷加速度響應信號的小波包能量特征頻帶變化率，將所述變化率指定為損傷識別指標，根據所述損傷識別指標的變化，確定盾構隧道結構的損傷位置和/或損傷程度。

在本發明技術方案中，其關鍵在于建立無損傷工況和有損傷工況的結構模型作為對照，通過比較無損傷工況下的加速度響應信號和有損傷工況情況下的加速度響應信號，來確認結構中損傷的位置和程度。具體來說，在盾構隧道中每隔一段距離設置一個傳感器，分別測試得到不同工況下的加速度信號。針對每一個傳感器測得的信號，將無損傷工況下測得的加速度響應信號作為基準，將損傷工況情況下測得的加速度響應信號與基準比較，以確定損傷位置和損傷程度。實際情況中，損傷工況(如，壁后水土流失、超荷負載、剛度損傷等)通常是容易知道的，但是這種損傷會對盾構隧道造成何種程度的影響卻是難以預測的；損傷工況與盾構隧道的結構的損傷也并不一定是同步出現的。