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1.一种基于波速测定的地铁隧道管片服役性能检测方法，其特征在于具体步骤如下： <b>(1)根据设计资料计算隧道结构频散和响应特性</b>两车站之间的区间隧道为一超长线性结构，将其近似等价为一无限延伸的空心管状结构，根据无限延伸的空间管状结构的力学特性和薄壁壳体理论，其径向位移响应<i>u</i>，切线方向位移响应<i>v</i>，纵向位移响应<i>w</i>通过求解下述式（1）~式（3）获得：<img file="2012104247061100001DEST_PATH_IMAGE001.GIF" wi="517" he="90" />（1）<img file="44774DEST_PATH_IMAGE002.GIF" wi="494" he="90" />（2）<img file="2012104247061100001DEST_PATH_IMAGE003.GIF" wi="366" he="147" />（3）其中：<i>q</i><sub><i>x</i></sub>，<i>q</i><sub><i>y</i></sub>，<i>q</i><sub><i>z</i></sub> 分别为空心管状结构荷载作用点处径向、切线和纵向方向荷载，式（1）为沿纵向方向平衡方程，式（2）为沿作用点切向方向平衡方程，式（3）为作用点径向方向平衡方程；<i>a</i>为壳体圆心到壁厚中点距离，<i>h</i>为管壁厚度，<img file="751568DEST_PATH_IMAGE004.GIF" wi="14" he="20" />为圆周上距离作用点的弧度，<i>t</i>表示响应时刻，<i>E,</i><img file="2012104247061100001DEST_PATH_IMAGE005.GIF" wi="17" he="18" />和<img file="441307DEST_PATH_IMAGE006.GIF" wi="14" he="16" />分别为壳体弹性模量，材料密度和泊松比；对上式进行二维傅立叶变换，可求得无限延伸壳体灾频率波数域内平衡方程表达式，并表示为如下矩阵形式：<img file="2012104247061100001DEST_PATH_IMAGE007.GIF" wi="185" he="79" />（4）其中在特定环向波数<i>n</i>条件下，<img file="699987DEST_PATH_IMAGE008.GIF" wi="18" he="25" />，<img file="DEST_PATH_IMAGE009.GIF" wi="18" he="25" />，<img file="842387DEST_PATH_IMAGE010.GIF" wi="21" he="25" />分别为<i>u</i>，<i>v</i>，<i>w</i>在频率波数域内的表达式，<img file="DEST_PATH_IMAGE011.GIF" wi="26" he="28" />，<img file="415188DEST_PATH_IMAGE012.GIF" wi="26" he="29" />，<img file="DEST_PATH_IMAGE013.GIF" wi="25" he="28" />为对应于荷载于荷载<i>q</i><sub><i>x</i></sub>，<i>q</i><sub><i>y</i></sub>，<i>q</i><sub><i>z</i></sub>在频率波数域内的表达式，如沿<i>x</i>方向作用一脉冲荷载，其表达式如式（5）所示：<img file="959433DEST_PATH_IMAGE014.GIF" wi="277" he="49" />（5）[A]为根据式（1-3）确定的系数矩阵；根据式（4），可求得薄壁壳体频率波数域内的位移响应；继而通过反傅立叶变换求得位移响应<i>u</i>，<i>v</i>，<i>w</i>；（1．1）确定各弹性波波速随频率变化值通过求解式（4）中系数矩阵[A]的行列式求取对应于横断面环向波数<i>n</i>的各阶模态，其中<i>n</i>=0对应的两条频散曲线分别对应于沿隧道纵向传播的剪切波和压缩波模态，<i>n</i>=1所对应的频散曲线对应于沿隧道纵向弯曲波模态，<i>n</i>大于2分别对应于隧道横断面平面内弯曲波模态；通过计算上述频散曲线斜率获取各种弹性波波速随频率的变化值；（1．2）不同激发方式下通过测点间相位差来判定波速当在隧道某一断面分别沿径向和纵向分别作用一脉冲激励时，由于所激发的振动弹性波种类以及传播速度不同，因而在距离荷载作用断面某一距离<i>L</i><sub>z</sub>处响应情况存在差异；其中相位特征是研究结构体振动特性的一个重要指标，从相位的变化上可以反映出结构某点出所经过的各类振动波传播速度的变化；根据模态频散理论，距离作用点<i>L</i><sub>z</sub>处与作用点处相位差<img file="DEST_PATH_IMAGE015.GIF" wi="38" he="25" />会随频率逐渐增加，其计算公式为：<img file="326698DEST_PATH_IMAGE016.GIF" wi="118" he="47" />（6）其中：<img file="DEST_PATH_IMAGE017.GIF" wi="16" he="20" />为计算系数，计算弯曲和剪切波时取0.5，计算压缩波时取1，<img file="956394DEST_PATH_IMAGE015.GIF" wi="38" he="25" />为与作用点处的相位差，<img file="4990DEST_PATH_IMAGE018.GIF" wi="24" he="22" />为频率差，<i>c</i><sub>n</sub>( <i>f</i> )为对应弹性波的传播速度，从频散曲线上看即为某一频散曲线的切线斜率；根据上式即可通过测试两点间的相位差来测定结构中相应振动波的波速；<b>(2)确定测试间距和测试方向</b>（2．1）测试方向确定同时由于实际运营隧道中隧道埋置于土体中，土体会对振动波传播产生影响，同时不同激发方式所传播规律亦有差异；可以通过耦合一空心管状土体模型，采用剑桥大学双管模型计算其相位变化规律；经研究发现当作用径向脉冲激励时，径向方向总体响应包括纵向弯曲波第一阶模态以及<i>n</i>大于2的各阶平面弯曲模态；当作用径向荷载时，距离荷载作用点处包含多种弹性波且弯曲波传播速度随频率成非线性变化，仅在平面弯曲模态开始以及弯曲波传播速度与频率成线性的狭小频带内进行测试，较难获取振动波传播速度等有效的信息；当作用纵向作用力时，响应仅包括压缩波以及<i>n</i>=1所对应的纵向弯曲波第二模态；在第二阶弯曲模态出现前，即频率小于第二阶纵向弯曲模态截止频率之前，相位均匀变化，可测试得到两测点间的相位差，从而精确的计算出传播波速；沿纵向即隧道延伸方向施加脉冲荷载时振动响应在一定频率范围内仅包含单一模态，因而相位变化稳定，适合与确定弹性波波速；沿径向激发可以在狭小频带范围内获取弯曲波波速；（2.2）测点布置间距确定根据式（6）当两测点间距离<i>L</i><sub>z</sub>越大相位变化<img file="528376DEST_PATH_IMAGE015.GIF" wi="38" he="25" />对波速变化越敏感，在实际测量时，考虑到力锤脉冲源频率范围以及弹性波衰减和管片检测范围的要求，两测点距离<i>L</i><sub>z</sub>取为20-30m；<b>(3)现场布置和数据采集</b>根据前述步骤(2)中所确定的测点布置间距和测点测试方向，在隧道壁手孔内布置加速度或速度传感器，短期测量采用胶水固定，长期测量去用螺钉固定；传输方式可采用有线或无线的方式，通过力锤激发脉冲波，运用数字信号采集系统收集振动信号；<b>(4)信号后处理及计算相位确定波速</b>在实际测量中，由于包含噪音，利用HHT变换去除噪音和进行模态分离，以此为基础进行测点间互谱分析，获取两测点间的相位差，而后根据公式（6）计算出测试弹性波波速；<b>(5)通过波速重新反算结构参数及判断服役性能</b>通过提取上述相关弹性波的波速，并根据式（4）反算结构的弹模参数，从而判定其结构服役性能。 |
