北京工业大学研究生S2023年04143开题报告.docx

《北京工业大学研究生S2023年04143开题报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《北京工业大学研究生S2023年04143开题报告.docx（10页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、北京工业大学争论生开题报告学位级别：博士 硕士 工程硕士学号：S202304143争论生姓名：马 超指导教师姓名：龚秋明 副教授专业名称：岩土工程所在学院：建筑工程学院开题报告时间：2023 年 01 月 14 日北京工业大学争论生部制表一、根本状况争论生姓名院、系学科、专业马 超建筑工程学院岩土工程学号指导教师姓名及职称入学年月S202304143龚秋明 副教授2023 年 9 月1、 争论方向、论文选题范围：土压平衡盾构渣土改进微观机理2、 拟定论文题目：土压平衡盾构渣土改进微观机理试验争论3、 论文科研课题属于哪一级科研工程，经费来源及金额课题来源选项分为国家计委、科委工程、国家经贸委工

2、程、国家自然科学基金工程、国务院其他部门工程、主管部门部委级工程、省、市、自治区工程、国际合作工程、学校级工程、自选工程、其它：北京市教委科技进展打算重点工程。4、 论文类型根底争论、应用争论、开发争论、其它应用争论选题争论内容和意义简介限 400 字：争论内容：(1) 单一外加剂对渣土微观构造的影响比照分析；(2) 不同类型的外加剂对渣土微观构造的影响比照分析；(3) 土体微观图像的处理与分析方法；摘(4) 描述土体微观构造的方法和具体参数。争论意义：土压平衡盾构在我国隧道施工中的应用越来越广泛，土压平衡盾构在施工过程中将开挖的渣土进展改进，使渣土塑流性满足盾构施工的要求，对某些地层来说，如

3、卵石地层， 并不具备这样的性质，必需对其参加添加剂进展改进，主要土体改进方法有：加水，膨要润土，粘土，高分子聚合物和泡沫等施工工艺。 这些外加剂改进土体的微观原理现在还是停留在理论分析阶段，还没有真正通过试验去验证。本工程就是通过试验的方法，去观看和采集外加剂改进土体的微观机理的图片和数据，通过比照试验数据和改进前后土体的微构造图片去说明外加剂对土体的微观构造有哪些转变以及转变土体构造的微观机理。关键词用分号隔开、最多 5 个 盾构；渣土改进；微观机理；外加剂；细观构造；报 告 正 文一选题依据与争论内容1、选题依据1.1 课题来源国家自然科学基金90715032，50938006，50908

4、0051.2 争论意义土压平衡盾构是土层适应性较强的盾构类型，可以在广泛的土层中使用，用于世界各地的隧道 工程中，尤其在软土地层施工中优势明显，在掘进时一般不需要关心技术措施，但因土压平衡盾构 刀具和土体改进技术的局限性，其传统的使用界限可以用土体的颗粒级配表示12，如图 1-4 所示。/数分百径粒某于小土体粒径/mm图 1-4 土压平衡式盾构施工传统适用地层Fig 1-4 General conditioning for EPB tunnelling按土质的其他参数综合考虑，土压平衡盾构的适用范围如图1-5 所示，可以得到渗透系数在10-710-12 细砂、粘土，粉砂层适用土压平衡盾构机。图

5、 1-5 土压平衡盾构施工适用地层参数13Fig 1-5 Soil mechanical for EPB Tunnelling然而通过对不良土层进展土体改进，土压平衡盾构可以在砂砾、砂、粉砂，粘土等密实程度低、软、硬相间的地层以及砾层、砂层等地层中使用25，如在塑流性不能满足土压平衡盾构施工的地层 中，需注入大量泥浆和泡沫添加剂来改善土体的塑流性和渗透性，这样可以大大增加了土压平衡盾 构的适用范围，经土体改进土压平衡盾构增加的土层范围如图1-6 所示14：土体粒径/mm/数分百径粒某于小图 1-6 土压平衡式盾构施工突破传统的适用地层界限14 Fig1-6 The approximate ra

6、nge of soil conditioning for EPB machines随着对土压平衡盾构工法争论的不断深入，以及各种添加剂料应用于土体改进中，土压平衡式盾构工法适用的土层范围不断扩大，1.3 国内外争论现状。土压平衡盾构在我国隧道施工中的应用越来越广泛，土压平衡盾构在施工过程中将开挖的渣土进展改进，使渣土塑流性满足盾构施工的要求， 对某些地层来说，如卵石地层，并不具备这样的性质，必需对其参加添加剂进展改进，主要土体改进方法有：加水，膨润土，粘土，高分子聚合物和泡沫等施工工艺。这些外加剂改进土体的微观原理现在还是停留在理论分析阶段，还没有真正通过试验去验证。本工程就是通过试验的方法，

7、去观看和采集外加剂改进土体的微观机理的图片和数据，通过比照试验数据和改进前后土体的微构造图片去说明外加剂对土体的微观构造有哪些转变以及转变土体构造的微观机理。1.3.1 多点、多维地震惊的空间作用差动效应目前对实际工程进展构造地震反响分析时，常用的地震输入方法是全都鼓励法，即假定地震发生时根底各点以一样的振幅和相位振动，不考虑地震惊的空间变化特性。山区的高墩桥梁受山涧河谷地形限制，各墩底之间高度相差数十米、甚至百米以上，局部地形引起地震惊差异是不能无视的因素，此时承受全都鼓励法与实际状况将会有很大的出入。因此，对于此类桥梁，合理的地震输入方法应当考虑地震惊场各点地面运动的相关性，按多点鼓励的输

8、入方式进展构造的地震反响分析。欧洲标准是目前唯一考虑了地震惊空间变化性的抗震设计标准，其中规定：当桥梁长度大于200m 且存在地质不连续或明显的不同地貌时，或桥梁总长度大于600m 而无论地质状况如何时，均应考虑地震地面运动的空间变化性对构造的影响，并给出了一些相应的指导原则。地震惊空间作用差动效应1主要表现为：行波效应、局部相干效应和局部场地效应。地震惊空间变化差动场确实定方法通常是在各个不同的地面支承处输入不同的自功率谱来考虑局部场地的变 化，而不同支承处地面运动的相关性则用所谓的相干函数模型来反映。目前已有不少学者提出过很 多自功率谱模型2，如Housner、田治见宏和金井清、Eapii

9、itehh、Clough和Penzien、欧进萍、杜修 力等，自功率谱的选定必需考虑拟静力反响计算的需要，即地震惊零频位移有限性原则；关于相干 函数也有多种表达形式，如 Harichandran-Vanmarcke模型、Loh模型、Abranhamson模型、Nakamnz 模型等，由于彼此统计的数据不同，各模型相互之间差异较大。长大桥梁多点鼓励地震反响分析方法可以分为两大类3。一类是以地震地面运动为确定过程确实定性分析方法，主要包括动力反响谱法和动态时程分析法；另一类是以地震地面运动为随机过程的概率性分析方法，主要是随机振动法。反响谱法是基于全都地震鼓励下单质点系统的线弹性分析而建立的。由于

10、长大桥梁较强的空间 耦合效应以及目前长周期反响谱方面存在的问题，且地震地面运动的时空变化特征难以模拟等因素， 承受反响谱法有时会产生很大的误差。很多学者基于随机理论提出了改进的反响谱方法，如 Yamamura和Tanaka分组法4，Berrah修正系数法5，DerKiureghian的MSRS法6。刘洪兵7也提出 了一种简化的基于单个模态振子振动特性的多支承鼓励反响求解方法。动力时程分析法8-13主要依据确定的地震加速度时程来求出构造的反响。该法在计算上能很好 地解决多点输入问题；可以近似考虑土构造动力相互作用、材料非线性、非比例阻尼等问题；可 以分析构造在地震作用下弹性和非弹性阶段的内力变化

11、以及构件逐步开裂、损坏直至倒塌的全过程。时称分析法的主要缺点在于计算工作量大，且计算结果过分依靠于所选取的加速度时程曲线。随机振动法建立在地面运动统计特征的根底上，把具有统计性质的地震惊作用到构造上，给出了构造响应的统计度量，不受任意选择的某一个输入地震惊的掌握，被认为是最合理的分析方法。Lee和Penzien14在80年月初曾分别从时域和频域对核电站管线简化模型在不均匀场地地震鼓励下 的安全性问题进展了争论，指出无视参振振型之问的相关性和场地不均匀性都会导致很大的误差， 随机振动方法比反响谱法更准确，比时程法更高效。我国学者林家浩等15提出了一种随机振动的虚拟鼓励法，计算效率高，自动包含了全

12、部参振振型之间以及多点鼓励之间的相关性，理论上是随机振动方程的准确解法，为大跨度桥梁多点鼓励地震分析供给了一个有效的途径。林家浩等16-19基 于虚拟鼓励法争论了大跨度简单构造的空间局部相干多点鼓励平稳随机地震响应；梁爱虎20等基于虚拟鼓励法争论了随机地震惊场多点鼓励下拱坝的抗震牢靠度问题。赵灿晖等21在一维虚拟鼓励法的根底上，通过鼓励功率谱的分解，建立了多维非平稳地震鼓励作用下构造随机响应的虚拟鼓励法。由于地震惊空间变化差动场对桥梁构造地震反响的影响格外简单，与输入的地震惊场特性、局部场地条件和桥梁的构造型式等均有很大的关系，国内外的很多学者针对不同的实际构造进展了研 究，至今仍很难给出一个

13、统肯定量的分析结论。但是，综合考虑行波效应、局部相干效应、波的衰 减效应和局部场地效应等非全都影响因素，对桥梁空间动力作用效应进展分析是目前国际争论前沿。1.3.2 强震过程掌握高墩大跨度钢筋混凝土刚构桥梁强震全过程争论的最终目的是要充分把握其在强震作用下的失效破坏模式，以便从根本上对其失效破坏模式进展转变和优化，甚至实行最的智能掌握装置对其失效破坏模式进展干预和掌握，从而实现对其强震灾变过程的掌握，防止其在强震作用下发生破坏倒塌。构造失效破坏模式多而又简单，大多承受牢靠度分析方法比较构造不同失效破坏模式之间的关系，查找最可能的失效破坏模式。王显利等28系统总结了 20 世纪 80 年月以来所

14、消灭的一些识别系统主要失效模式的主流算法。左建和车维毅29以平面桁架为例，基于分枝限界法将构造连续变更 定理用于构造的牢靠性分析，实现了不断变更构造的连续分析和失效链失效概率计算，得到可能失效模式的集合。黄刚和刘幸30以平面刚架为例，利用分支界约法查找构造的主要失效模式，同时 承受条件概率法求解构造体系牢靠度指标。侯钢领和欧进萍31提出了承受牢靠指标矢量表示各失效 模式之间的相关性。张小庆等32提出了一种并联体系牢靠度的近似计算方法，从而将求解一组失效 模式交集失效概率的简单问题转化为求解一组线性等价失效模式失效概率乘积的简洁问题，因而适合于大型构造体系的体系牢靠度计算。王建民等33基于有限元

15、重分析技术，考虑载荷对构造的综合 影响，改进了构造牢靠性分析的增量载荷法，使其更适合于实际工程中大型构造系统在多种载荷共同作用下的牢靠性失效模式分析。刘长虹和陈虬34基于枚举构造静强度主要失效模式的优化准则 法，建立了模糊随机变量向等效的随机变量的转换关系，用于建立大型模糊随机构造失效模式。张义民等35,36基于随机有限元法，建立了具有相关失效模式的非线性动态随机构造系统牢靠性分析 的方法，较好地解决了具有独立失效模式的多自由度非线性随机参数振动系统的牢靠性灵敏度分析问题。目前对于桥梁构造失效破坏模式的争论更少，对桥梁失效破坏模式的优化与掌握争论是目前国际争论前沿。姜增国和邢尚青37基于大路桥

16、梁荷载和构造抗力的概率分布类型和统计参数，分析了 连续梁桥的系统牢靠度。吕颖钊等38分析并提出了简支梁桥和连续梁桥可能的失效模式，实现了梁 桥构造主梁失效的主要失效模式的搜寻，建立了梁桥承载力牢靠度分析方法。构造振动掌握已被证明是一种格外有效和可行的构造地震反响掌握方法39，在长大桥梁的强震灾变过程中，实行适当的掌握措施，可以干预和掌握其失效破坏模式，从而实现对其强震灾变过程 的掌握，防止其在强震作用下发生破坏倒塌，这是目前国际前沿争论课题。构造振动掌握的根本原 理是通过减震、隔震装置来消耗地震能量，同时阻挡震惊在构造上的传播，或者施加外部的能量以 抵消地震作用对构造的影响。自 20 世纪 8

17、0 年月以来，国际上广泛开展了大型桥梁构造震惊掌握， 所承受的主要掌握措施有：隔震支座；被动耗能系统；主动与半主动及智能掌握系统。隔震技术最为成熟且应用广泛。桥梁隔震是通过隔震支座实现的。常用的隔震支座包括：叠层橡胶支座、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座、滑动摩擦支座等。试验和理论分析说明，叠层橡胶支座虽能减小上部构造确实定加速度，但同时增加了被隔震构造与其的相对位移。铅芯橡胶支座的隔震效果受地震波的频率影响较大。Ghobarah 等40争论了各种频率特性地震波输入对于铅芯叠层橡胶支座隔震性能的影响，结果说明对于具有低频特性的地震波，安装铅芯叠层橡胶支座会增加构造对地震的反响。研制对于各种不同频率

18、特点的地震波输入都具有稳定减震效果的隔震装置是桥梁隔震技术目前和今后的争论热点之一41。被动耗能装置包括金属阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器、液体粘滞阻尼器、SMA 阻尼器等42-44。被动耗能装置能从根本上减小输入桥梁构造的地震能量，具有牢靠性高、维护本钱低的优点，因此已经广泛应用于桥梁减震掌握。Tony 和 Cole45对圣弗朗西斯科奥克兰湾大桥进展了非线性地震惊时称分析，争论了承受粘滞阻尼器和摩擦阻尼器对桥塔的弯矩、纵向位移、横向位移的 掌握效果。Soneji 等46争论了承受粘滞液体阻尼器作为被动附加耗能装置，与三种隔震支座高阻尼橡胶支座、铅芯橡胶支座、摩擦摆式支座协作使用对斜拉桥的地

19、震保护效果，结果说明，非线 性粘滞阻尼器能有效掌握隔震支座的最大变形，且能同时降低桥塔的底部剪力。Hwang 等47基于复合阻尼比的概念提出了大路桥梁附加粘滞阻尼器的参数设计方法。刘伟庆等48承受粘滞阻尼器作 为减震装置对马上建成的杭州湾跨海大桥进展了抗震加固分析。Ruangrassamee 等49承受分两步掌握的摩擦阻尼器进展了斜拉桥地震反响掌握，争论说明与传统的摩擦阻尼器掌握相比，两步摩擦控 制的摩擦阻尼器耗能力量更强。目前关于被动耗能装置的理论争论渐渐成熟，今后的争论重点将集 中在智能隔震装置及其工程应用领域50-52，主要是解决其参数设计问题53。主动掌握系统通过施加外部能量来掌握或转

20、变构造的运动，对场地和地面运动不敏感，适用于多种灾难且掌握目标可选择，因而具有最好的掌握效率，但主动掌握系统的牢靠性差，因而限制其应用范围54,55。半主动掌握具有良好的牢靠性和适应性，是一种具有广泛应用前景的构造振动掌握方法。半主 动掌握的关键是掌握装置的研制，目前磁流变MR阻尼器是最为抱负的半主动掌握装置56，已成功应用于多个建筑构造和桥梁工程中57-61。目前关于桥梁构造地震反响半主动掌握的争论正不 断深入，其中将半主动掌握装置与被动掌握装置或隔震装置组合使用进展地震反响掌握是目前的研 究热点62,63。He 等62争论了被动粘滞阻尼器与半主动阻尼器混合使用对桥梁近场地震反响的掌握效果，

21、争论说明当承受混合掌握系统时，被动粘滞阻尼器仍旧能减小桥梁反响，半主动掌握只在 最优掌握力超过了被动掌握所能供给的最大掌握力极限时才发挥作用。Park 等63承受以铅芯橡胶支座作为被动掌握装置，以液压驱动器或磁流变阻尼器用作附加掌握装置的混合掌握系统对斜拉桥 进展地震反响掌握，争论说明混合掌握系统对质量和刚度的扰动有更好的鲁棒性。半主动掌握争论的另一个热点是掌握算法方面的争论。半主动掌握算法主要分为两类：基于模型的掌握算法和智能掌握算法。基于模型的掌握算法需要对整个掌握体系建立准确的数学模型，对于实际简单构造，这往往不易实现，由于过于简单的数学模型会使计算量大增，导致掌握效率和鲁棒性降低。承受

22、智能掌握算法进展半主动掌握的优势更为明显。Ok 等57承受模糊掌握策略对一座斜拉桥进展了半主动掌握，具有更好的鲁棒性。Iemura58提出了一种简洁的半主动掌握算法拟负刚度掌握，其掌握效果接近传统的LQR 掌握，但仅需很少的传感器。Symams 等64提出了桥梁构造智能半主动隔震系统的模糊规律掌握。2、选题的争论内容、争论目标以及拟解决的关键问题等2.1 争论内容(1) 单一外加剂对渣土微观构造的影响比照分析；(2) 不同类型的外加剂对渣土微观构造的影响比照分析；(3) 土体微观图像的处理与分析方法；(4) 描述土体微观构造的方法和具体参数。2.2 争论目标通过试验观看比照外加剂改进前后渣土的

23、微观图像，并取得清楚的微观照片，使用相关软件处理和分析所得的图片，得到描述土体微观构造的相关参数，对参数进展分析，建立渣土改进的微观模型，为土压平衡盾构施工中渣土改进外加剂的使用供给理论依据和技术支持。2.3 拟解决的关键问题（1） 多维多点输入下高墩大跨度钢筋混凝土刚构桥梁模型试验及分析方法；（2） 桥梁减隔震方法及效果；（3） 桥梁上部构造之间的碰撞及减轻碰撞的方法。3、 争论方案本课题拟实行模型试验、理论分析和数值模拟三者相结合的争论方法，争论强震作用下高墩大跨度钢筋混凝土刚构桥梁的抗震性能及其掌握的理论与方法。具体争论方案如下。3.1 开展多维多点地震惊输入下大比尺模型桥梁构造体系的振

24、动台台阵试验争论，对多维多点地震鼓励下桥梁构造体系的地震反响进展数值模拟和其破坏机理的争论，并对试验结果和数值模拟进展比照分析；通过模拟地震振动台试验，争论强震作用下长大桥梁根底和桥墩损伤演化破坏过程及其失效破坏力学机理，提醒长大桥梁根底和桥墩损伤、破坏的物理机制。通过数值模拟，分析强震作用下长大桥梁构造的破坏倒塌过程，建立强震作用下长大桥梁构造的倒塌分析方法，提醒强震作用下长大桥梁构造的破坏倒塌机制。3.2 通过模型试验中，同一条波的屡次输入来得出高墩大跨度钢筋混凝土刚构桥梁在屡次地震中的地震反响，与数值模拟相比照得出屡次地震中桥梁的地震反响。3.3 通过模型试验，争论简单受力条件下型隔震支

25、座和智能阻尼掌握装置的多维非线性动力效应，建立型隔震支座和智能阻尼掌握装置以及两者相耦合的多维非线性动力行为的模拟模型。通过模拟地震振动台试验和数值模拟，争论安装型隔震支座和智能阻尼掌握装置以及两者相耦合的智能掌握措施的长大桥梁构造的非线性地震反响以及破坏形态和失效模式，分析其智能掌握效果与规律，建立长大桥梁构造的破坏形态和失效模式掌握的理论与方法。总结理论分析和试验争论成果，分析型隔震支座和智能阻尼掌握装置以及两者相耦合的智能掌握措施对长大桥梁构造损伤、破坏和倒塌过程的掌握原理，建立长大桥梁强震灾变过程智能掌握的理论与方法。3.4 通过模型试验争论地震过程中桥梁上部构造之间的碰撞，与数值模拟

26、结果相比照，得出减轻上部构造之间碰撞力的方法及措施。4、 本课题的特色及创处首次进展大比尺模型高墩混凝土刚构桥梁构造体系的振动台台阵试验，验证减隔振装置在实际 桥梁模型试验中的效果；首次进展桥梁上部构造碰撞试验，并进展减轻上部碰撞力大小的措施验证。5、论文争论进度打算和预期争论结果5.1 争论进度打算2023.92023.12 集阅读相关文献2023.12023.4试验模型的制作2023.52023.7进展试验2023.82023.12 处理数据理论分析2023.32023.6提交论文，辩论5.2 预期争论成果发表学术论文 34 篇。二论文争论工作根底及条件保障1. 工作根底这一年多以来，本人

27、参与了国家自然科学基金重大争论打算重点工程90715032，“强震作用下长大桥梁的灾变全过程与掌握争论”。认真系统地学习了桥梁抗震方面的学问。为今后在这一领域连续争论和本课题的顺当完成奠定了根底。2. 工作条件试验室有良好的学习环境，网络良好，方面查阅资料。试验争论条件具备，学校的九子台振设备是国内同类设备中最先进。三参考文献12 Sotiris Psomas. Properties of foam/sand mixtures for tunnelling applicationsD ，A thesis submitted for the degree of Master of Science

28、 to the Department of Engineering Science.2023.13 Haukur J, etc. The significance of mixed face conditions for TBM performance J.World Tunneling, Annual Technical Review, 2023.14 林键 土体改进降低土压平衡式盾构刀盘扭矩的机理争论D. 河海大学硕士论文，2023.三、开题报告评价本项分别由指导教师及专家组填写指导教师对该生选题报告的简要评语 本栏由指导教师在开题报告会之前填写完毕：高墩大跨度钢筋混凝土刚构桥梁在我国有较

29、广泛的应用，最近汶川地震的桥梁震害如庙子坪大桥 说明，这些桥梁虽然经过了抗震设计，但在强震作用下还是遭到了严峻破坏。这反映出这类桥梁抗震设 计还存在着很大缺陷，人们还不能全面把握这类桥梁在强震作用下的损伤破坏机理，不能指导桥梁抗震 设计实践。本课题以拟以高墩大跨度钢筋混凝土刚构桥梁为争论对象，争论多维多点地震作用下以及多 次地震作用下钢筋混凝土长大桥梁的地震反响；高墩大跨度桥梁减震效果及掌握方法；桥梁上部构造碰 撞作用以及实行合理减小碰撞效果方法验证等。本课题争论将为建立基于真实工作性态的长大桥梁抗震 设计及减灾掌握的理论与方法，供给坚实的理论根底和技术支撑，具有重大的理论意义和工程价值。课 题思路明晰，技术路线牢靠，争论内容充实，争论方法切实有效，学生本人对相关领域的国内外现状有 较为全面地了解，现从事工作也为完成课题供给了多方面的便利，信任能够完成课题并撰写出到达硕士 学位论文要求的毕业论文。指导教师签名：年月日开题报告会时间：年月日午 时时地点：姓名职称所在单位及学科专长博导/硕导出席者签名组长：评审专家组开成题报 评审意见：由评审专家组填写 正常通过；告 不合格，年 月 日前重做开题报告。其它评语：会评审组长签名：年月日