[发明专利]一种盾构隧道结构损伤评估方法

说明书

技术领域

本发明属于土木工程结构健康监测和损伤识别技术领域，具体涉及一种盾构隧道结构损伤评估方法。

背景技术

隧道结构作为城市轨道交通中的重要部分，一旦出现问题将对大家的日常生活造成巨大的影响与损失。实践中，地下隧道的服役环境复杂，随着服役时间的增长，隧道结构将不可避免地发生局部损伤，若不进行检测与维护必会留下安全隐患，导致恶劣事故发生。实际上，一方面在运营过程中，车辆的动载作用等动荷载的往复运动影响，也可能使结构产生不同程度的疲劳损伤。另一方面，建筑结构普遍存在不可避免的施工初始缺陷，尽管这些缺陷十分微小，但随着运营时间的累积和内外环境的不断作用，初始缺陷会逐渐发展扩大，隧道结构的健康状况会随着运营时间的增长而逐步恶化。因此，针对隧道结构进行定期损伤检测以预防事故的发生是十分必要的。

近年来，结构健康监测(Structural Health Monitoring，简称SHM)及诊断技术在土木工程结构(包括高层建筑、大型桥梁和水坝工程等)的应用中取得了长足的进展，但是这一技术应用于隧道工程中几乎是刚刚开始起步。随着国内外对城市轨道交通的安全运营越来越重视，城市轨道交通地下结构(主要为盾构隧道结构)的健康监测系统日渐成为研究热点，如：无线传感网络技术和MEMS智能传感节点技术在地铁健康监测系统中的应用研究等，获得了广泛的关注。而关于盾构隧道损伤识别方面的研究，目前仅有少量基于数值仿真模型有所开展。理论上来说，利用海量监测数据来进行有效的盾构隧道结构损伤识别方法具有重要的理论和工程应用价值。

在现有技术中，CN201310502959公开了一种基于振动传递率函数的结构损伤识别方法，其将结构损伤前后振动传递率函数复制的小波包分解能量变化量作为损伤特征指标，利用支持向量机的模式识别功能进行结构损伤识别。该方法高度依赖结构的振型信息，但是实际上振型信息的获取相对困难；且该方法虽然在解决小样本、非线性及高维模式识别问题中具有一定的优势，但是在进行精确的损伤定位以及损伤程度确认的时候，具有局限性。除此之外，《基于小波包能量谱的结构损伤预警方法研究》一文中，虽然详细探讨了利用小波包分解得到的能量比和能量比变化进行损伤识别的过程，但是该方法仍然存在较大的误差，在进一步精确进行损伤识别时误差较大。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种盾构隧道结构损伤评估方法。本发明技术方案的方法，采用基于数据的损伤识别方法，不需要结构的振型信息，仅利用结构损伤前后的加速度信号即可准确地进行损伤定位和损伤程度评估。此外，本发明技术方案的方法，还可以对损伤进行精确识别。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种盾构隧道结构损伤评估方法，其特征在于，包括，

S1根据盾构隧道的参数建立无损伤工况的盾构隧道结构模型，在该模型上施加荷载，得到相应测点的无损伤加速度响应信号；

S2根据盾构隧道的参数建立具有损伤工况的盾构隧道结构模型，在该模型上施加所述荷载，得到相应测点的有损伤加速度响应信号；

S3对所述无损伤加速度响应和有损伤加速度响应信号分别进行小波包分解，获得每个频带的小波包能量；

S4计算所述测点对应的无损伤加速度响应信号和有损伤加速度响应信号的小波包能量特征频带变化率，将所述变化率指定为损伤识别指标，根据所述损伤识别指标的变化，确定盾构隧道结构的损伤位置和/或损伤程度。

在本发明技术方案中，其关键在于建立无损伤工况和有损伤工况的结构模型作为对照，通过比较无损伤工况下的加速度响应信号和有损伤工况情况下的加速度响应信号，来确认结构中损伤的位置和程度。具体来说，在盾构隧道中每隔一段距离设置一个传感器，分别测试得到不同工况下的加速度信号。针对每一个传感器测得的信号，将无损伤工况下测得的加速度响应信号作为基准，将损伤工况情况下测得的加速度响应信号与基准比较，以确定损伤位置和损伤程度。实际情况中，损伤工况(如，壁后水土流失、超荷负载、刚度损伤等)通常是容易知道的，但是这种损伤会对盾构隧道造成何种程度的影响却是难以预测的；损伤工况与盾构隧道的结构的损伤也并不一定是同步出现的。