水中悬浮隧道结构疲劳损伤与可靠性研究

本项目采用模型试验、理论分析和数值计算相结合的研究方法，对水中悬浮隧道结构疲劳损伤与可靠性进行了系统研究，完成了本项目申请所提出的主要研究内容。研究所取得的成果如下：具有圆形或椭圆形横截面形式的水中悬浮隧道可降低波流产生的涡激振动，可明显改善隧道结构的受力。对于用锚索支撑的悬浮隧道而言，因锚索过大的长细比而导致了较大的结构柔度。锚索的预张力愈大，锚索的固有频率也愈大。当悬浮隧道受洋流涡激振动作用时结构的应力循环次数增加时，锚索的横向振幅减小，其疲劳寿命将降低。在剪切流中，锚索的预张力越大，锚索潜在共振模态减少，各阶模态锁定区域增加，能量也增加，其阻尼也相应增加，锚索的疲劳寿命得到延长。 阻尼对锚索动力响应幅值影响很大，动水阻尼力越大，消耗的能量越多，减少锚索的振幅和交变应力循环的次数，对锚索的疲劳破坏起抑制作用。因此在应力集中范围内加装锚索的阻尼装置，可减少锚索承受的疲劳损伤，延长其使用寿命。综合分析后得出悬浮隧道锚索的横向振动位移、振动周期、阻尼、预张力及其内部的平均应力是影响锚索疲劳寿命的关键因素。对于悬浮隧道结构本身而言，当管段结构在洋流涡激振动作用下且存在单一的涡泄频率时，悬浮隧道在涡激升力作用下的动力响应呈简谐函数变化，并且振动的一阶模态起主导作用，因而对悬浮隧道进行动力响应分析时可只进行一阶模态的分析。当升力系数和流速呈正态分布时，通过蒙特卡洛法模拟得到涡激升力幅值的概率分布符合极值Ⅰ型，隧道管段的跨中弯矩响应、支座剪力响应、跨中位移响应均服从对数分布。悬浮隧道在涡激振动下其结构承载能力极限状态为弯曲强度所控制，其可靠性对隧道的跨径非常敏感，通过对结构弯曲强度失效概率的分析，其跨径不宜超过100m。因此水下悬浮隧道的跨度宜控制在100m以内。对于采用墩柱式支撑的悬浮隧道而言，此种支撑方式在静水压和定常流综合作用下对悬浮隧道及其接头的变形能够起到很好的约束作用，可有效地防止过大位移对于悬浮隧道运营带来的不利影响。在洋流作用下，采用模态叠加法对悬浮隧道锚索的涡激疲劳损伤进行分析，结果表明锚索的密度是影响锚索涡激振动的重要指标，随着锚索密度的增加，其涡激振动位移、应力和损伤均显著增加，洋流速度对锚索的涡激疲劳损伤影响最大，其次为锚索的长度。由此得出，悬浮隧道在洋流涡激振动作用下，锚索的流致疲劳损伤是影响悬浮隧道耐久性与可靠性的重要因素。 2100433B

水中悬浮隧道在世界范围内尚无成功应用的工程实例。本项目以锚索方式支撑的水中悬浮为研究对象，利用悬浮隧道模型试验平台，采用模型试验、理论分析以及数值计算相结合的研究方法，重点对具有圆形和椭圆形断面的锚索式水中悬浮隧道管段结构及其锚索系统在洋流随机振动作用下的疲劳和损伤特性进行测试与研究，以分析悬浮隧道结构和锚索受外部洋流和内部车辆等交变动荷载影响下的疲劳损伤与破坏模式，为评价悬浮隧道结构的长期安全性提供依据。同时，利用隧道结构和锚索体系内的交变应力以及结构动力学响应的测试与分析结果，研究影响水中悬浮隧道结构耐久性的主要因素，建立水中悬浮隧道结构在正常使用极限状态和承载能力极限状态下的失效评估方法，并评价水中悬浮隧道在洋流环境作用下的可靠性。

所谓结构疲劳损伤，是指由于重复荷载作用而引起的结构材料性能衰减的过程，也就是通常所说的疲劳裂纹的发生、发展、形成宏观裂纹、发生破坏的全过程。疲劳损伤与普通损伤的最大区别在于随着荷载循环次数的增加，疲劳中的损伤存在一个累积的过程。

疲劳损伤(Fatigue Damage，FD)是由于循环载荷引起的裂纹起始及其持续扩展，这种损伤是一个累积的过程。

以飞机为例，与飞机的使用情况(飞行小时或起落次数)有关。必须制订一个检查要求，以保证在由于某种疲劳损伤造成任何飞机的剩余强度低于允许水平之前，提供探测疲劳损伤的最大可能性。

疲劳损伤评定应考虑：

(1)适用的剩余强度，包括多部位疲劳损伤的影响。

(2)适用的裂纹扩展率，包括多部位或多元件疲劳损伤的影响。

(3)与疲劳损伤扩展间隔相关的损伤检测期。疲劳损伤扩展间隔是从首次检测时间(门槛值)到所规定极限尺寸(临界的)之间的间隔。损伤检测期随着所应用的检查方法及检测概率而变化，并受结构部件或工艺的影响(如密封胶遮盖住损伤部位)。

(4)检查方法的检测标准。

(5)适用的检查等级和方法(如目视、无损检测)，方位(如外部、内部检查)及重复检查问隔。

有关复合材料的疲劳损伤模型大致可以分为三类：第一类模型不考虑实际的性能劣化机理，使用S－N 曲线或类似的图，提供若干疲劳破坏准则；第二类是剩余刚度或剩余强度的表象模型；第三类是损伤发展模型，使用一个或多个可测的能衡量损伤情况的变量。2100433B