[发明专利]一种适用于振动台试验的隧道衬砌地震累积损伤评价方法

说明书

本发明根据振动台试验衬砌结构动应变测试数据分析，考虑弹塑性变形特征的累积破坏，结合机器学习手段，提出了一种适用于振动台试验的隧道衬砌地震累积损伤评价方法，该方法包括以下步骤：1）设计并布置隧道衬砌动应变传感器，填筑振动台试验模型，加载地震波测试，获取隧道衬砌动应变数据，绘制动应变‑时间曲线图；2）采用局部加权回归算法，拟合得到动应变平滑曲线；3）绘制拟合局部回归动应变‑时间曲线图；4）由回归动应变‑时间曲线图，提取局部回归动应变峰值和残余动应变值；5）计算地震作用下隧道衬砌的塑性变形指数PEC；6）绘制PEC‑地震烈度‑衬砌特征部位变化谱图，阐明隧道衬砌累积损伤效应，评价地震累积破坏过程的变形阶段。

技术领域

本发明属于隧道设计领域，具体涉及一种隧道设计安全评价方法，更具体地，涉及一种适用于振动台试验的隧道衬砌地震累积损伤评价方法。

背景技术

在隧道抗震结构设计过程中，遇到结构较复杂、现有理论计算又无法圆满解决问题时，研究人员常借助振动台模型试验，直接对结构的地震反应及破坏形态进行观察，以评估结构的整体抗震能力。地震模拟振动台作为地震工程研究中的一种关键设备，主要应用于结构抗震试验。利用该设备可以模拟地震环境，从而确定工程结构的动力特性、检验结构的抗震性能及其在地震力作用下的破坏机理，可以帮助设计人员完善抗震设计理论及方法。

振动台模型试验中的原始数据通常是由布设在模型结构上的各种传感器（如动应变片、加速度传感器、位移传感器、动土压力传感器等）记录而得。原始数据的常见处理方式如下：（1）分析频谱扫描得到幅频曲线，可了解结构的自振频率、阻尼及振型的变化情况；（2）由加速度记录可求得测点位置的加速度峰值，除以台面输入加速度峰值就可得到加速度放大系数；（3）对加速度数据积分，可得到该测点的位移时程曲线，进而求得相对台面位移峰值及层间位移峰值；（4）利用动应变片测得的应变峰值来推算该位置可能出现裂缝的时间及结构的变形情况；（5）位移峰值也可通过位移传感器记录下的位移时程曲线求出；（6）利用沿切向布置的加速度传感器求出相对台面扭转变形峰值及层间扭转变形峰值；（7）试验现象及裂缝发展情况描述。

在地震过程中，衬砌结构主要产生拉伸、压缩损伤。隧道衬砌断面不同特征部位两种损伤存在局部效应，衬砌结构的破坏与地形条件、地层岩性、埋深、空间位置等多种因素相关。地震作用下衬砌结构的损伤不仅与最大变形有关，还与地震往复作用对衬砌结构产生的低周疲劳效应所造成的累积损伤有关。混凝土材料在低周疲劳效应过程中，因塑性的积累、刚度的退化，性能会逐渐降低，直至完全破坏。但现有数据处理过程中，并未将累积破坏因素纳入考虑范围，因此现有数据处理过程存在上述疏漏，现有理论计算也无法完整研究累积损伤的内在机理。

为充分反映衬砌结构动力损伤程度，突破传统加速度、动应变及动土压力分析法中峰值加速度（速度、位移）、峰值动应变、峰值动土压力、频谱特征等指标（或相应的内力指标）的局限性。基于地震工程衬砌结构损伤现实状态，根据振动台试验衬砌结构动应变测试数据分析，考虑弹塑性变形特征的累积破坏，更全面的分析衬砌结构动力损伤问题，并提供更完善的评价方法是本领域急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于振动台试验的隧道衬砌地震累积损伤评价方法，该方法考虑衬砌结构弹塑性变形特征的累积破坏，结合局部加权回归机器学习手段，能较好地描述隧道衬砌结构在往复荷载作用下的力学行为，更准确地展示地震等循环荷载作用下的破坏过程。可从局部（或整体）定量评价震后衬砌结构的安全状态，为衬砌结构地震响应过程的精细化分析提供新的途径。

为此，本发明采用如下技术方案：

一种适用于振动台试验的隧道衬砌地震累积损伤评价方法，包括以下步骤：