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轻型薄板挡土墙振动模态理论与应用研究

刘世安  
【摘要】:轻型薄板挡土墙是目前应用较为广泛的一种支挡结构,其工程质量及在役结构的健康运行对保证基础设施的稳定与人民生命财产的安全具有重要的意义。然而,目前墙体质量检验常用的开孔或开槽的破坏性取样法,效率低、代表性差,已难以满足工程检测的需要,迫切需要一种简便、无损、有效的健康诊断方法,弥补以至取代传统的检测方法。为此,本文基于结构动力学基本原理,结合能量法、功的互等原理、变分原理等理论,利用振动模态分析理论及试验模态参数提取等现代信号分析手段,依托重庆市科技攻关计划项目“滑坡灾变预测及安全保障新技术研究”(编号2006AB7003)及国家杰出青年科学基金资助项目“岩土支护结构损伤检测与智能诊断理论研究”(编号50625824),通过理论研究、数值模拟、现场和室内试验,对轻型薄板挡土墙这—结构—半无限岩土介质动力相互作用下的挡墙系统振动模态理论、试验模态参数测试与提取技术、挡墙损伤辨识与质量评估、墙后土压力探测等一系列问题进行了比较深入细致的研究。主要工作有: ①悬臂挡墙受力机理及振动模态理论研究。采用温克尔弹性地基上的薄板简化模型,利用能量法、变分原理、功的互等原理等理论,推导了等厚悬臂挡墙立板弯曲静力解析解及集中简谐荷载作用下的受迫振动运动方程和频率求解公式,并推导了改进Kantorovich法下等厚悬臂挡墙固有振动频率与变厚度悬臂挡墙振动微分方程。 ②轻型薄板式挡土墙振动模态理论研究。以弹性半空间地基理论为基础,推导了考虑轻型薄板挡土墙—岩土介质耦合动力相互作用的振动模态微分方程,并对其求解原则及温克尔简化弹性地基上振动的微分方程、边界条件和耦合方程进行了探讨。 ③轻型薄板式挡土墙试验模态测试与参数识别技术研究。着重对模态测试激振及参数识别后处理技术进行了研究,对DFC-2高弹性聚能力锤力谱能量大小及分布的主要因素进行了探讨,并对力谱性能的控制技术进行了分析。 ④集中质量参数法悬臂挡墙理论模态与健康诊断研究。通过现场试验,对悬臂挡墙系统模态振型、频率进行了测试与计算,并基于集中质量参数法对墙体结构局部损伤及倾覆和滑移两种典型破坏模式下健康诊断方法进行了研究。 ⑤轻型薄板挡土墙模态完整法数值模拟及土压力反演分析研究。对锚杆挡墙振动模态数值模拟时动力边界及挡墙—岩土体接触面耦合的处理方法进行了研究,解决了低应变下墙土系统振动模态模拟的关键问题,并通过振动模态参数受土压力影响这一特定的关系,通过假定土压力分布形式,以有限元模态频率与试验模态的频率的接近程度作为指标进行土压力的反演分析,结果表明,反演精度与土压力分布形式的假设密切相关。 通过本文的研究,形成了轻型薄板挡土墙系统振动理论模态与试验模态的基本理论体系以及健康诊断的分析技术。这对于提高工程质量管理水平,拓展振动模态理论在轻型薄板挡土墙健康诊断及稳定性分析中的应用,完善岩土工程防灾减灾能力具有重要的应用价值和学术意义。


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