北京工業(yè)大學(xué)研究生S200904143開(kāi)題

1、北京工業(yè)大學(xué)研究生開(kāi)題報(bào)告學(xué)位級(jí)別：博士 碩士 工程碩士學(xué) 號(hào)： S200904143 研究生姓名： 馬 超 指導(dǎo)教師姓名： 龔秋明 副教授 專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)： 巖土工程 所在學(xué)院： 建筑工程學(xué)院 開(kāi)題報(bào)告時(shí)間： 2011年01月14日 北京工業(yè)大學(xué)研究生部制表一、基本情況研究生姓名馬 超學(xué) 號(hào)S200904143院、系建筑工程學(xué)院指導(dǎo)教師姓名及職稱(chēng)龔秋明 副教授 學(xué)科、專(zhuān)業(yè)巖土工程入學(xué)年月2009年9月1、 研究方向、論文選題范圍：土壓平衡盾構(gòu)渣土改良微觀(guān)機(jī)理2、 擬定論文題目：土壓平衡盾構(gòu)渣土改良微觀(guān)機(jī)理試驗(yàn)研究3、 論文科研課題屬于哪一級(jí)科研項(xiàng)目，經(jīng)費(fèi)來(lái)源及金額（課題來(lái)源選項(xiàng)分為國(guó)家計(jì)委、科委項(xiàng)

2、目、國(guó)家經(jīng)貿(mào)委項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)務(wù)院其他部門(mén)項(xiàng)目、主管部門(mén)（部委級(jí)）項(xiàng)目、省、市、自治區(qū)項(xiàng)目、國(guó)際合作項(xiàng)目、學(xué)校級(jí)項(xiàng)目、自選項(xiàng)目、其它）：北京市教委科技發(fā)展計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目。4、 論文類(lèi)型（基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究、開(kāi)發(fā)研究、其它）應(yīng)用研究摘要選題研究?jī)?nèi)容和意義簡(jiǎn)介（限400字）：研究?jī)?nèi)容：(1) 單一外加劑對(duì)渣土微觀(guān)結(jié)構(gòu)的影響對(duì)比分析；(2) 不同類(lèi)型的外加劑對(duì)渣土微觀(guān)結(jié)構(gòu)的影響對(duì)比分析；(3) 土體微觀(guān)圖像的處理與分析方法； (4) 描述土體微觀(guān)結(jié)構(gòu)的方法和具體參數(shù)。研究意義：土壓平衡盾構(gòu)在我國(guó)隧道施工中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，土壓平衡盾構(gòu)在施工過(guò)程中將開(kāi)挖的渣土進(jìn)行改良，使渣土塑流性滿(mǎn)足盾構(gòu)

3、施工的要求，對(duì)某些地層來(lái)說(shuō)，如卵石地層，并不具備這樣的性質(zhì)，必須對(duì)其加入添加劑進(jìn)行改良，主要土體改良方法有：加水，膨潤(rùn)土，粘土，高分子聚合物和泡沫等施工工藝。 這些外加劑改良土體的微觀(guān)原理現(xiàn)在還是停留在理論分析階段，還沒(méi)有真正通過(guò)實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證。本項(xiàng)目就是通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法，去觀(guān)察和采集外加劑改良土體的微觀(guān)機(jī)理的圖片和數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和改良前后土體的微結(jié)構(gòu)圖片去說(shuō)明外加劑對(duì)土體的微觀(guān)結(jié)構(gòu)有哪些改變以及改變土體結(jié)構(gòu)的微觀(guān)機(jī)理。關(guān)鍵詞（用分號(hào)隔開(kāi)、最多5個(gè)）盾構(gòu)；渣土改良；微觀(guān)機(jī)理；外加劑；細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)；報(bào) 告 正 文（一）選題依據(jù)與研究?jī)?nèi)容1、選題依據(jù)1.1課題來(lái)源國(guó)家自然科學(xué)基金（90715032，

4、50938006，50908005）1.2 研究意義土壓平衡盾構(gòu)是土層適應(yīng)性較強(qiáng)的盾構(gòu)類(lèi)型，可以在廣泛的土層中使用，用于世界各地的隧道工程中，尤其在軟土地層施工中優(yōu)勢(shì)明顯，在掘進(jìn)時(shí)一般不需要輔助技術(shù)措施，但因土壓平衡盾構(gòu)刀具和土體改良技術(shù)的局限性，其傳統(tǒng)的使用界限可以用土體的顆粒級(jí)配表示12，如圖1-4所示。土體粒徑/mm小于某粒徑百分?jǐn)?shù)/圖1-4 土壓平衡式盾構(gòu)施工傳統(tǒng)適用地層Fig 1-4 General conditioning for EPB tunnelling按土質(zhì)的其他參數(shù)綜合考慮，土壓平衡盾構(gòu)的適用范圍如圖1-5所示，可以得到滲透系數(shù)在10-710-12細(xì)砂、粘土，粉砂層適用土

5、壓平衡盾構(gòu)機(jī)。圖1-5土壓平衡盾構(gòu)施工適用地層參數(shù)13Fig 1-5 Soil mechanical for EPB Tunnelling然而通過(guò)對(duì)不良土層進(jìn)行土體改良，土壓平衡盾構(gòu)可以在砂礫、砂、粉砂，粘土等密實(shí)程度低、軟、硬相間的地層以及礫層、砂層等地層中使用25，如在塑流性不能滿(mǎn)足土壓平衡盾構(gòu)施工的地層中，需注入大量泥漿和泡沫添加劑來(lái)改善土體的塑流性和滲透性，這樣可以大大增加了土壓平衡盾構(gòu)的適用范圍，經(jīng)土體改良土壓平衡盾構(gòu)增加的土層范圍如圖1-6所示14：小于某粒徑百分?jǐn)?shù)/土體粒徑/mm圖1-6 土壓平衡式盾構(gòu)施工突破傳統(tǒng)的適用地層界限14Fig1-6 The approximate r

6、ange of soil conditioning for EPB machines隨著對(duì)土壓平衡盾構(gòu)工法研究的不斷深入，以及各種添加劑料應(yīng)用于土體改良中，土壓平衡式盾構(gòu)工法適用的土層范圍不斷擴(kuò)大，1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。土壓平衡盾構(gòu)在我國(guó)隧道施工中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，土壓平衡盾構(gòu)在施工過(guò)程中將開(kāi)挖的渣土進(jìn)行改良，使渣土塑流性滿(mǎn)足盾構(gòu)施工的要求，對(duì)某些地層來(lái)說(shuō)，如卵石地層，并不具備這樣的性質(zhì)，必須對(duì)其加入添加劑進(jìn)行改良，主要土體改良方法有：加水，膨潤(rùn)土，粘土，高分子聚合物和泡沫等施工工藝。 這些外加劑改良土體的微觀(guān)原理現(xiàn)在還是停留在理論分析階段，還沒(méi)有真正通過(guò)實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證。本項(xiàng)目就是通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法

7、，去觀(guān)察和采集外加劑改良土體的微觀(guān)機(jī)理的圖片和數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和改良前后土體的微結(jié)構(gòu)圖片去說(shuō)明外加劑對(duì)土體的微觀(guān)結(jié)構(gòu)有哪些改變以及改變土體結(jié)構(gòu)的微觀(guān)機(jī)理。1.3.1多點(diǎn)、多維地震動(dòng)的空間作用差動(dòng)效應(yīng)目前對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析時(shí)，常用的地震輸入方法是一致激勵(lì)法，即假定地震發(fā)生時(shí)基礎(chǔ)各點(diǎn)以相同的振幅和相位振動(dòng)，不考慮地震動(dòng)的空間變化特性。山區(qū)的高墩橋梁受山澗河谷地形限制，各墩底之間高度相差數(shù)十米、甚至百米以上，局部地形引起地震動(dòng)差異是不能忽視的因素，此時(shí)采用一致激勵(lì)法與實(shí)際情況將會(huì)有很大的出入。因此，對(duì)于此類(lèi)橋梁，合理的地震輸入方法應(yīng)當(dāng)考慮地震動(dòng)場(chǎng)各點(diǎn)地面運(yùn)動(dòng)的相關(guān)性，按多點(diǎn)激勵(lì)的輸

8、入方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析。歐洲規(guī)范是目前唯一考慮了地震動(dòng)空間變化性的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，其中規(guī)定：當(dāng)橋梁長(zhǎng)度大于200m且存在地質(zhì)不連續(xù)或明顯的不同地貌時(shí)，或橋梁總長(zhǎng)度大于600m而無(wú)論地質(zhì)情況如何時(shí)，均應(yīng)考慮地震地面運(yùn)動(dòng)的空間變化性對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，并給出了一些相應(yīng)的指導(dǎo)原則。地震動(dòng)空間作用差動(dòng)效應(yīng)1主要表現(xiàn)為：行波效應(yīng)、部分相干效應(yīng)和局部場(chǎng)地效應(yīng)。地震動(dòng)空間變化差動(dòng)場(chǎng)的確定方法通常是在各個(gè)不同的地面支承處輸入不同的自功率譜來(lái)考慮局部場(chǎng)地的變化，而不同支承處地面運(yùn)動(dòng)的相關(guān)性則用所謂的相干函數(shù)模型來(lái)反映。目前已有不少學(xué)者提出過(guò)很多自功率譜模型2，如Housner、田治見(jiàn)宏和金井清、Eapiiiteh

9、h、Clough和Penzien、歐進(jìn)萍、杜修力等，自功率譜的選定必須考慮擬靜力反應(yīng)計(jì)算的需要，即地震動(dòng)零頻位移有限性原則；關(guān)于相干函數(shù)也有多種表達(dá)形式，如Harichandran-Vanmarcke模型、Loh模型、Abranhamson模型、Nakamnz模型等，由于彼此統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)不同，各模型相互之間差別較大。長(zhǎng)大橋梁多點(diǎn)激勵(lì)地震反應(yīng)分析方法可以分為兩大類(lèi)3。一類(lèi)是以地震地面運(yùn)動(dòng)為確定過(guò)程的確定性分析方法，主要包括動(dòng)力反應(yīng)譜法和動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法；另一類(lèi)是以地震地面運(yùn)動(dòng)為隨機(jī)過(guò)程的概率性分析方法，主要是隨機(jī)振動(dòng)法。反應(yīng)譜法是基于一致地震激勵(lì)下單質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)的線(xiàn)彈性分析而建立的。由于長(zhǎng)大橋梁較強(qiáng)的空

10、間耦合效應(yīng)以及目前長(zhǎng)周期反應(yīng)譜方面存在的問(wèn)題，且地震地面運(yùn)動(dòng)的時(shí)空變化特征難以模擬等因素，采用反應(yīng)譜法有時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。許多學(xué)者基于隨機(jī)理論提出了改進(jìn)的反應(yīng)譜方法，如Yamamura和Tanaka分組法4，Berrah修正系數(shù)法5，DerKiureghian的MSRS法6。劉洪兵7也提出了一種簡(jiǎn)化的基于單個(gè)模態(tài)振子振動(dòng)特性的多支承激勵(lì)反應(yīng)求解方法。動(dòng)力時(shí)程分析法8-13主要依據(jù)確定的地震加速度時(shí)程來(lái)求出結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。該法在計(jì)算上能很好地解決多點(diǎn)輸入問(wèn)題；可以近似考慮土結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用、材料非線(xiàn)性、非比例阻尼等問(wèn)題；可以分析結(jié)構(gòu)在地震作用下彈性和非彈性階段的內(nèi)力變化以及構(gòu)件逐步開(kāi)裂、損壞直至倒

11、塌的全過(guò)程。時(shí)稱(chēng)分析法的主要缺點(diǎn)在于計(jì)算工作量大，且計(jì)算結(jié)果過(guò)分依賴(lài)于所選取的加速度時(shí)程曲線(xiàn)。隨機(jī)振動(dòng)法建立在地面運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)特征的基礎(chǔ)上，把具有統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的地震動(dòng)作用到結(jié)構(gòu)上，給出了結(jié)構(gòu)響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)度量，不受任意選擇的某一個(gè)輸入地震動(dòng)的控制，被認(rèn)為是最合理的分析方法。Lee和Penzien14在80年代初曾分別從時(shí)域和頻域?qū)穗娬竟芫€(xiàn)簡(jiǎn)化模型在不均勻場(chǎng)地地震激勵(lì)下的安全性問(wèn)題進(jìn)行了研究，指出忽略參振振型之問(wèn)的相關(guān)性和場(chǎng)地不均勻性都會(huì)導(dǎo)致很大的誤差，隨機(jī)振動(dòng)方法比反應(yīng)譜法更精確，比時(shí)程法更高效。我國(guó)學(xué)者林家浩等15提出了一種隨機(jī)振動(dòng)的虛擬激勵(lì)法，計(jì)算效率高，自動(dòng)包含了全部參振振型之間以及多點(diǎn)激勵(lì)之間的

12、相關(guān)性，理論上是隨機(jī)振動(dòng)方程的精確解法，為大跨度橋梁多點(diǎn)激勵(lì)地震分析提供了一個(gè)有效的途徑。林家浩等16-19基于虛擬激勵(lì)法研究了大跨度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的空間部分相干多點(diǎn)激勵(lì)平穩(wěn)隨機(jī)地震響應(yīng)；梁愛(ài)虎20等基于虛擬激勵(lì)法研究了隨機(jī)地震動(dòng)場(chǎng)多點(diǎn)激勵(lì)下拱壩的抗震可靠度問(wèn)題。趙燦暉等21在一維虛擬激勵(lì)法的基礎(chǔ)上，通過(guò)激勵(lì)功率譜的分解，建立了多維非平穩(wěn)地震激勵(lì)作用下結(jié)構(gòu)隨機(jī)響應(yīng)的虛擬激勵(lì)法。由于地震動(dòng)空間變化差動(dòng)場(chǎng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響非常復(fù)雜，與輸入的地震動(dòng)場(chǎng)特性、局部場(chǎng)地條件和橋梁的結(jié)構(gòu)型式等均有很大的關(guān)系，國(guó)內(nèi)外的很多學(xué)者針對(duì)不同的實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，至今仍很難給出一個(gè)統(tǒng)一定量的分析結(jié)論。但是，綜合考慮行

13、波效應(yīng)、部分相干效應(yīng)、波的衰減效應(yīng)和局部場(chǎng)地效應(yīng)等非一致影響因素，對(duì)橋梁空間動(dòng)力作用效應(yīng)進(jìn)行分析是目前國(guó)際研究前沿。1.3.2強(qiáng)震過(guò)程控制高墩大跨度鋼筋混凝土剛構(gòu)橋梁強(qiáng)震全過(guò)程研究的最終目的是要充分掌握其在強(qiáng)震作用下的失效破壞模式，以便從根本上對(duì)其失效破壞模式進(jìn)行改變和優(yōu)化，甚至采取最新的智能控制裝置對(duì)其失效破壞模式進(jìn)行干預(yù)和控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其強(qiáng)震災(zāi)變過(guò)程的控制，防止其在強(qiáng)震作用下發(fā)生破壞倒塌。結(jié)構(gòu)失效破壞模式多而又復(fù)雜，大多采用可靠度分析方法比較結(jié)構(gòu)不同失效破壞模式之間的關(guān)系，尋找最可能的失效破壞模式。王顯利等28系統(tǒng)總結(jié)了20世紀(jì)80年代以來(lái)所出現(xiàn)的一些識(shí)別系統(tǒng)主要失效模式的主流算法。左建

14、新和車(chē)維毅29以平面桁架為例，基于分枝限界法將結(jié)構(gòu)連續(xù)變更定理用于結(jié)構(gòu)的可靠性分析，實(shí)現(xiàn)了不斷變更結(jié)構(gòu)的連續(xù)分析和失效鏈?zhǔn)Ц怕视?jì)算，得到可能失效模式的集合。黃剛和劉幸30以平面剛架為例，利用分支界約法尋找結(jié)構(gòu)的主要失效模式，同時(shí)采用條件概率法求解結(jié)構(gòu)體系可靠度指標(biāo)。侯鋼領(lǐng)和歐進(jìn)萍31提出了采用可靠指標(biāo)矢量表示各失效模式之間的相關(guān)性。張小慶等32提出了一種并聯(lián)體系可靠度的近似計(jì)算方法，從而將求解一組失效模式交集失效概率的復(fù)雜問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求解一組線(xiàn)性等價(jià)失效模式失效概率乘積的簡(jiǎn)單問(wèn)題，因而適合于大型結(jié)構(gòu)體系的體系可靠度計(jì)算。王建民等33基于有限元重分析技術(shù)，考慮載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的綜合影響，改進(jìn)了結(jié)構(gòu)可靠

15、性分析的增量載荷法，使其更適合于實(shí)際工程中大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在多種載荷共同作用下的可靠性失效模式分析。劉長(zhǎng)虹和陳虬34基于枚舉結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度主要失效模式的優(yōu)化準(zhǔn)則法，建立了模糊隨機(jī)變量向等效的隨機(jī)變量的轉(zhuǎn)換關(guān)系，用于建立大型模糊隨機(jī)結(jié)構(gòu)失效模式。張義民等35,36基于隨機(jī)有限元法，建立了具有相關(guān)失效模式的非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)隨機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性分析的方法，較好地解決了具有獨(dú)立失效模式的多自由度非線(xiàn)性隨機(jī)參數(shù)振動(dòng)系統(tǒng)的可靠性靈敏度分析問(wèn)題。目前對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)失效破壞模式的研究更少，對(duì)橋梁失效破壞模式的優(yōu)化與控制研究是目前國(guó)際研究前沿。姜增國(guó)和邢尚青37基于公路橋梁荷載和結(jié)構(gòu)抗力的概率分布類(lèi)型和統(tǒng)計(jì)參數(shù)，分析了連續(xù)梁橋的

16、系統(tǒng)可靠度。呂穎釗等38分析并提出了簡(jiǎn)支梁橋和連續(xù)梁橋可能的失效模式，實(shí)現(xiàn)了梁橋結(jié)構(gòu)主梁失效的主要失效模式的搜尋，建立了梁橋承載力可靠度分析方法。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制已被證明是一種非常有效和可行的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)控制方法39，在長(zhǎng)大橋梁的強(qiáng)震災(zāi)變過(guò)程中，采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧梢愿深A(yù)和控制其失效破壞模式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其強(qiáng)震災(zāi)變過(guò)程的控制，防止其在強(qiáng)震作用下發(fā)生破壞倒塌，這是目前國(guó)際前沿研究課題。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的基本原理是通過(guò)減震、隔震裝置來(lái)消耗地震能量，同時(shí)阻止震動(dòng)在結(jié)構(gòu)上的傳播，或者施加外部的能量以抵消地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)際上廣泛開(kāi)展了大型橋梁結(jié)構(gòu)震動(dòng)控制，所采用的主要控制措施有：

17、隔震支座；被動(dòng)耗能系統(tǒng)；主動(dòng)與半主動(dòng)及智能控制系統(tǒng)。隔震技術(shù)最為成熟且應(yīng)用廣泛。橋梁隔震是通過(guò)隔震支座實(shí)現(xiàn)的。常用的隔震支座包括：疊層橡膠支座、鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座、滑動(dòng)摩擦支座等。實(shí)驗(yàn)和理論分析表明，疊層橡膠支座雖能減小上部結(jié)構(gòu)的絕對(duì)加速度，但同時(shí)增加了被隔震結(jié)構(gòu)與其的相對(duì)位移。鉛芯橡膠支座的隔震效果受地震波的頻率影響較大。Ghobarah等40研究了各種頻率特性地震波輸入對(duì)于鉛芯疊層橡膠支座隔震性能的影響，結(jié)果表明對(duì)于具有低頻特性的地震波，安裝鉛芯疊層橡膠支座會(huì)增加結(jié)構(gòu)對(duì)地震的反應(yīng)。研制對(duì)于各種不同頻率特點(diǎn)的地震波輸入都具有穩(wěn)定減震效果的隔震裝置是橋梁隔震技術(shù)目前和今后的研究熱點(diǎn)之

18、一41。被動(dòng)耗能裝置包括金屬阻尼器、摩擦阻尼器、粘彈性阻尼器、液體粘滯阻尼器、SMA阻尼器等42-44。被動(dòng)耗能裝置能從根本上減小輸入橋梁結(jié)構(gòu)的地震能量，具有可靠性高、維護(hù)成本低的優(yōu)點(diǎn)，因此已經(jīng)廣泛應(yīng)用于橋梁減震控制。Tony和Cole45對(duì)圣弗朗西斯科奧克蘭灣大橋進(jìn)行了非線(xiàn)性地震動(dòng)時(shí)稱(chēng)分析，研究了采用粘滯阻尼器和摩擦阻尼器對(duì)橋塔的彎矩、縱向位移、橫向位移的控制效果。Soneji等46研究了采用粘滯液體阻尼器作為被動(dòng)附加耗能裝置，與三種隔震支座（高阻尼橡膠支座、鉛芯橡膠支座、摩擦擺式支座）配合使用對(duì)斜拉橋的地震保護(hù)效果，結(jié)果表明，非線(xiàn)性粘滯阻尼器能有效控制隔震支座的最大變形，且能同時(shí)降低橋塔的

19、底部剪力。Hwang等47基于復(fù)合阻尼比的概念提出了公路橋梁附加粘滯阻尼器的參數(shù)設(shè)計(jì)方法。劉偉慶等48采用粘滯阻尼器作為減震裝置對(duì)即將建成的杭州灣跨海大橋進(jìn)行了抗震加固分析。Ruangrassamee等49采用分兩步控制的摩擦阻尼器進(jìn)行了斜拉橋地震反應(yīng)控制，研究表明與傳統(tǒng)的摩擦阻尼器控制相比，兩步摩擦控制的摩擦阻尼器耗能能力更強(qiáng)。目前關(guān)于被動(dòng)耗能裝置的理論研究逐漸成熟，今后的研究重點(diǎn)將集中在智能隔震裝置及其工程應(yīng)用領(lǐng)域50-52，主要是解決其參數(shù)設(shè)計(jì)問(wèn)題53。主動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)施加外部能量來(lái)控制或改變結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，對(duì)場(chǎng)地和地面運(yùn)動(dòng)不敏感，適用于多種災(zāi)害且控制目標(biāo)可選擇，因而具有最好的控制效率，但主

20、動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性差，因而限制其應(yīng)用范圍54,55。半主動(dòng)控制具有良好的可靠性和適應(yīng)性，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制方法。半主動(dòng)控制的關(guān)鍵是控制裝置的研制，目前磁流變（MR）阻尼器是最為理想的半主動(dòng)控制裝置56，已成功應(yīng)用于多個(gè)建筑結(jié)構(gòu)和橋梁工程中57-61。目前關(guān)于橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)半主動(dòng)控制的研究正不斷深入，其中將半主動(dòng)控制裝置與被動(dòng)控制裝置或隔震裝置組合使用進(jìn)行地震反應(yīng)控制是目前的研究熱點(diǎn)62,63。He等62研究了被動(dòng)粘滯阻尼器與半主動(dòng)阻尼器混合使用對(duì)橋梁近場(chǎng)地震反應(yīng)的控制效果，研究表明當(dāng)采用混合控制系統(tǒng)時(shí)，被動(dòng)粘滯阻尼器仍然能減小橋梁反應(yīng)，半主動(dòng)控制只在最優(yōu)控制力超過(guò)了被動(dòng)控制

21、所能提供的最大控制力極限時(shí)才發(fā)揮作用。Park等63采用以鉛芯橡膠支座作為被動(dòng)控制裝置，以液壓驅(qū)動(dòng)器或磁流變阻尼器用作附加控制裝置的混合控制系統(tǒng)對(duì)斜拉橋進(jìn)行地震反應(yīng)控制，研究表明混合控制系統(tǒng)對(duì)質(zhì)量和剛度的擾動(dòng)有更好的魯棒性。半主動(dòng)控制研究的另一個(gè)熱點(diǎn)是控制算法方面的研究。半主動(dòng)控制算法主要分為兩類(lèi)：基于模型的控制算法和智能控制算法。基于模型的控制算法需要對(duì)整個(gè)控制體系建立精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于實(shí)際復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這往往不易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫^(guò)于復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型會(huì)使計(jì)算量大增，導(dǎo)致控制效率和魯棒性降低。采用智能控制算法進(jìn)行半主動(dòng)控制的優(yōu)勢(shì)更為明顯。Ok等57采用模糊控制策略對(duì)一座斜拉橋進(jìn)行了半主動(dòng)控制，具有更好的

22、魯棒性。Iemura58提出了一種簡(jiǎn)單的半主動(dòng)控制算法擬負(fù)剛度控制，其控制效果接近傳統(tǒng)的LQR控制，但僅需很少的傳感器。Symams 等64提出了橋梁結(jié)構(gòu)智能半主動(dòng)隔震系統(tǒng)的模糊邏輯控制。2、選題的研究?jī)?nèi)容、研究目標(biāo)以及擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題等2.1 研究?jī)?nèi)容(1) 單一外加劑對(duì)渣土微觀(guān)結(jié)構(gòu)的影響對(duì)比分析；(2) 不同類(lèi)型的外加劑對(duì)渣土微觀(guān)結(jié)構(gòu)的影響對(duì)比分析；(3) 土體微觀(guān)圖像的處理與分析方法； (4) 描述土體微觀(guān)結(jié)構(gòu)的方法和具體參數(shù)。2.2 研究目標(biāo)通過(guò)試驗(yàn)觀(guān)察對(duì)比外加劑改良前后渣土的微觀(guān)圖像，并取得清晰的微觀(guān)照片，使用相關(guān)軟件處理和分析所得的圖片，得到描述土體微觀(guān)結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行分

23、析，建立渣土改良的微觀(guān)模型，為土壓平衡盾構(gòu)施工中渣土改良外加劑的使用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。2.3 擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題（1）多維多點(diǎn)輸入下高墩大跨度鋼筋混凝土剛構(gòu)橋梁模型試驗(yàn)及分析方法；（2）橋梁減隔震方法及效果；（3）橋梁上部結(jié)構(gòu)之間的碰撞及減輕碰撞的方法。3、 研究方案本課題擬采取模型試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬三者相結(jié)合的研究方法，研究強(qiáng)震作用下高墩大跨度鋼筋混凝土剛構(gòu)橋梁的抗震性能及其控制的理論與方法。具體研究方案如下。3.1開(kāi)展多維多點(diǎn)地震動(dòng)輸入下大比尺模型橋梁結(jié)構(gòu)體系的振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣試驗(yàn)研究，對(duì)多維多點(diǎn)地震激勵(lì)下橋梁結(jié)構(gòu)體系的地震反應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬和其破壞機(jī)理的研究，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬進(jìn)行

24、對(duì)比分析；通過(guò)模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究強(qiáng)震作用下長(zhǎng)大橋梁基礎(chǔ)和橋墩損傷演化破壞過(guò)程及其失效破壞力學(xué)機(jī)理，揭示長(zhǎng)大橋梁基礎(chǔ)和橋墩損傷、破壞的物理機(jī)制。通過(guò)數(shù)值模擬，分析強(qiáng)震作用下長(zhǎng)大橋梁結(jié)構(gòu)的破壞倒塌過(guò)程，建立強(qiáng)震作用下長(zhǎng)大橋梁結(jié)構(gòu)的倒塌分析方法，揭示強(qiáng)震作用下長(zhǎng)大橋梁結(jié)構(gòu)的破壞倒塌機(jī)制。3.2通過(guò)模型試驗(yàn)中，同一條波的多次輸入來(lái)得出高墩大跨度鋼筋混凝土剛構(gòu)橋梁在多次地震中的地震反應(yīng)，與數(shù)值模擬相對(duì)比得出多次地震中橋梁的地震反應(yīng)。3.3通過(guò)模型試驗(yàn)，研究復(fù)雜受力條件下新型隔震支座和智能阻尼控制裝置的多維非線(xiàn)性動(dòng)力效應(yīng)，建立新型隔震支座和智能阻尼控制裝置以及兩者相耦合的多維非線(xiàn)性動(dòng)力行為的模擬模型

25、。通過(guò)模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究安裝新型隔震支座和智能阻尼控制裝置以及兩者相耦合的智能控制措施的長(zhǎng)大橋梁結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性地震反應(yīng)以及破壞形態(tài)和失效模式，分析其智能控制效果與規(guī)律，建立長(zhǎng)大橋梁結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)和失效模式控制的理論與方法?？偨Y(jié)理論分析和試驗(yàn)研究成果，分析新型隔震支座和智能阻尼控制裝置以及兩者相耦合的智能控制措施對(duì)長(zhǎng)大橋梁結(jié)構(gòu)損傷、破壞和倒塌過(guò)程的控制原理，建立長(zhǎng)大橋梁強(qiáng)震災(zāi)變過(guò)程智能控制的理論與方法。3.4通過(guò)模型試驗(yàn)研究地震過(guò)程中橋梁上部結(jié)構(gòu)之間的碰撞，與數(shù)值模擬結(jié)果相對(duì)比，得出減輕上部結(jié)構(gòu)之間碰撞力的方法及措施。4、 本課題的特色及創(chuàng)新處首次進(jìn)行大比尺模型高墩混凝土剛構(gòu)橋梁結(jié)

26、構(gòu)體系的振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣試驗(yàn)，驗(yàn)證減隔振裝置在實(shí)際橋梁模型試驗(yàn)中的效果；首次進(jìn)行橋梁上部結(jié)構(gòu)碰撞試驗(yàn)，并進(jìn)行減輕上部碰撞力大小的措施驗(yàn)證。5、論文研究進(jìn)度計(jì)劃和預(yù)期研究結(jié)果5.1 研究進(jìn)度計(jì)劃2009.92009.12 集閱讀相關(guān)文獻(xiàn)2010.12010.4 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱?010.52010.7 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)2010.82010.12處理數(shù)據(jù)理論分析2011.32011.6 提交論文，答辯5.2 預(yù)期研究成果發(fā)表學(xué)術(shù)論文34篇。（二）論文研究工作基礎(chǔ)及條件保障1工作基礎(chǔ)這一年多以來(lái)，本人參加了國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（90715032），“強(qiáng)震作用下長(zhǎng)大橋梁的災(zāi)變?nèi)^(guò)程與控制研究”。認(rèn)真系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了橋梁抗震方面的知識(shí)。為今后在這一領(lǐng)域繼續(xù)研究和本課題的順利完成奠定了基礎(chǔ)。2.工作條件實(shí)驗(yàn)室有良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)良好，方面查閱資料。試驗(yàn)研究條件具備，學(xué)校的九子臺(tái)振設(shè)備是國(guó)內(nèi)同類(lèi)設(shè)備中最先進(jìn)。（三）參考文獻(xiàn)12 Sotiris Psomas. Properties of foam/sand mixtures for tunnelling applicationsD，A the