CN111177842B - 一种盾构隧道管片接触面的动力特性确定方法、装置及存储介质 - Google Patents

一种盾构隧道管片接触面的动力特性确定方法、装置及存储介质 Download PDF

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CN111177842B CN202010005547.6A CN202010005547A CN111177842B CN 111177842 B CN111177842 B CN 111177842B CN 202010005547 A CN202010005547 A CN 202010005547A CN 111177842 B CN111177842 B CN 111177842B
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Abstract

本申请公开一种盾构隧道管片接触面的动力特性确定方法，包括：分别确定两个管片的粗糙面的分形维度参数和分形尺度参数；基于所述每个管片的粗糙面的分形维度参数和分形尺度参数，分别确定所述管片的粗糙面的临界接触面积；确定所述两个管片接触面的最大接触面积；基于所述最大接触面积和所述两个管片的粗糙面的临界接触面积，确定所述两个管片接触面的动力特性。本申请还公开一种盾构隧道管片接触面的动力特性确定装置和存储介质，如此，可以确定盾构隧道两个管片接触面的动力特性。

Description

一种盾构隧道管片接触面的动力特性确定方法、装置及存储 介质
技术领域
本申请涉及地下结构设计技术领域，尤其涉及一种盾构隧道管片接触面的动力特性确定方法、装置及存储介质。
背景技术
盾构隧道是由管片拼装而成的非连续性结构体，管片之间的接触面在物理上是由两个粗糙接触面构成的，管片接触面是影响盾构隧道结构受力、盾构隧道变形及盾构隧道的使用状态的关键部位，同时也是结构损坏、发生渗漏水的最常见部位。因此，对管片接触面进行动力特性分析具有重要意义，但对于两个管片接触面的动力特性确定方法尚未明确。
发明内容
本申请实施例提供一种盾构隧道管片接触面的动力特性确定方法、装置及存储介质，使得在两个管片接触时，可以通过每个管片的粗糙面的临界接触面积和两个管片接触面的最大接触面积，确定所述两个管片接触面的动力特性。
本申请实施例的技术方案是这样实现的：
分别确定两个管片的粗糙面的分形维度参数和分形尺度参数；
基于所述每个管片的粗糙面的分形维度参数和分形尺度参数，分别确定所述管片的粗糙面的临界接触面积；
基于所述两个管片的粗糙面的临界接触面积，确定所述两个管片接触面的最大接触面积；
基于所述最大接触面积和所述两个管片的粗糙面的临界接触面积，确定所述两个管片接触面的动力特性。
上述方案中，所述分别确定两个管片的粗糙面的分形维度参数和分形尺度参数包括：
通过双对数坐标系分别获得所述每个管片的粗糙面的功率谱密度的斜率和截距；
分别基于所述每个管片的粗糙面的功率谱密度的斜率，确定所述管片的粗糙面的分形维度参数；
分别基于所述每个管片的粗糙面的功率谱密度的截距，确定所述管片的粗糙面的分形尺度参数。
上述方案中，所述确定所述两个管片接触面的最大接触面积包括：
基于两个管片的实际接触面积和所述两个管片中第一管片的分形维度参数，确定所述第一管片的最大接触面积；
基于两个管片的实际接触面积和所述两个管片中第二管片的分形维度参数，确定所述第二管片的最大接触面积；
在所述第一管片的最大接触面积小于所述第二管片的最大接触面积的情况下，确定所述第一管片和第二管片接触时，所述第一管片的最大接触面积为所述两个管片接触面的最大接触面积；
或者，在所述第二管片的最大接触面积小于所述第一管片的最大接触面积的情况下，确定所述第一管片和第二管片接触时，所述第二管片的最大接触面积为所述两个管片接触面的最大接触面积。
上述方案中，所述方法还包括：
基于所述第一管片和第二管片接触时，两个管片接触面的最大接触面积，分别确定所述每个管片的粗糙面的分布密度函数。
上述方案中，所述确定所述两个管片接触面的动力特性包括：
在所述两个管片接触面的最大接触面积在所述两个管片的粗糙面的临界接触面积之间的情况下，基于所述处于弹塑性状态的微凸点的法向接触刚度确定所述两个管片接触面的法向刚度；
和/或，基于所述处于弹塑性状态的微凸点的压力确定所述两个管片接触面的接触压力。
上述方案中，所述确定所述两个管片接触面的动力特性包括：
在所述两个管片接触面的最大接触面积均小于或等于所述两个管片的粗糙面的临界接触面积之间的情况下，基于所述处于弹塑性状态的微凸点的法向接触刚度确定所述两个管片接触面的法向刚度；
和/或，基于所述处于弹塑性状态的微凸点的压力确定所述两个管片接触面的接触压力。
上述方案中，所述方法还包括：
对所述两个管片接触面的法向刚度和/或所述两个管片接触面的接触压力进行无量纲处理。
本申请还提供一种动力特性确定装置，包括：
确定单元，用于分别确定两个管片的粗糙面的分形维度参数和分形尺度参数；
用于基于所述每个管片的粗糙面的分形维度参数和分形尺度参数，分别确定所述管片的粗糙面的临界接触面积；
用于基于所述两个管片的粗糙面的临界接触面积，确定所述两个管片接触面的最大接触面积；
用于基于所述最大接触面积和所述两个管片的粗糙面的临界接触面积，确定所述两个管片接触面的动力特性。
上述方案中，所述装置还包括：
获得单元，用于通过双对数坐标系分别获得所述每个管片的粗糙面的功率谱密度的斜率和截距；
所述确定单元，还用于分别基于所述每个管片的粗糙面的功率谱密度的斜率，确定所述管片的粗糙面的分形维度参数；用于分别基于所述每个管片的粗糙面的功率谱密度的截距，确定所述管片的粗糙面的分形尺度参数。
上述方案中，所述确定单元还用于：
基于两个管片的实际接触面积和所述两个管片中第一管片的分形维度参数，确定所述第一管片的最大接触面积；
基于两个管片的实际接触面积和所述两个管片中第二管片的分形维度参数，确定所述第二管片的最大接触面积；
在所述第一管片的最大接触面积小于所述第二管片的最大接触面积的情况下，确定所述第一管片和第二管片接触时，所述第一管片的最大接触面积为所述两个管片接触面的最大接触面积；
或者，在所述第二管片的最大接触面积小于所述第一管片的最大接触面积的情况下，确定所述第一管片和第二管片接触时，所述第二管片的最大接触面积为所述两个管片接触面的最大接触面积。
上述方案中，所述确定单元还用于：
基于所述第一管片和第二管片接触时，两个管片接触面的最大接触面积，分别确定所述每个管片的粗糙面的分布密度函数。
上述方案中，所述确定单元还用于：
在所述两个管片接触面的最大接触面积在所述两个管片的粗糙面的临界接触面积之间的情况下，基于所述处于弹塑性状态的微凸点的法向接触刚度确定所述两个管片接触面的法向刚度；
和/或，基于所述处于弹塑性状态的微凸点的压力确定所述两个管片接触面的接触压力。
上述方案中，所述确定单元还用于：
在所述两个管片接触面的最大接触面积均小于或等于所述两个管片的粗糙面的临界接触面积之间的情况下，基于所述处于弹塑性状态的微凸点的法向接触刚度确定所述两个管片接触面的法向刚度；
和/或，基于所述处于弹塑性状态的微凸点的压力确定所述两个管片接触面的接触压力。
上述方案中，所述装置还包括：
处理单元，用于对所述两个管片接触面的法向刚度和/或所述两个管片接触面的接触压力进行无量纲处理。
本申请实施例提供的盾构隧道管片接触面的动力特性确定方法、装置及存储介质，通过分别确定两个管片的粗糙面的分形维度参数和分形尺度参数；基于所述每个管片的粗糙面的分形维度参数和分形尺度参数，分别确定所述管片的粗糙面的临界接触面积；基于所述两个管片的粗糙面的临界接触面积，确定所述两个管片接触面的最大接触面积；基于所述最大接触面积和所述两个管片的粗糙面的临界接触面积，确定所述两个管片接触面的动力特性。如此，本申请实施例基于分形理论，提出了两个管片接触面的真实的细观形貌描述方法并应用于两个管片接触面的法向刚度和接触压力计算模型，考虑了两个管片接触面表面的不平整性对法向刚度和接触压力的影响。并且，本申请实施例建立的双粗糙面的两个管片接触面的非线性动力接触模型，能更为真实地描述两个管片接触面的法向刚度与法向变形之间呈现幂函数形式的非线性关系，得到更准确的结果。计算模型采用无量纲化处理，具有更为广泛的应用。
附图说明
图1为本申请实施例提供的盾构隧道管片接触面的动力特性确认方法的可选流程示意图；
图2为本申请实施例提供的两个管片的粗糙面相接触的可选结构示意图；
图3为本申请实施例提供的确定两个管片的粗糙面的分形维度参数和分形尺度参数的可选流程示意图；
图4为本申请实施例提供的无量纲接触压力P*与无量纲法向刚度的关系示意图；
图5为本申请实施例提供的分形维度参数D与无量纲法向刚度Kn*的关系示意图；
图6为本申请实施例提供的分形尺度参数G与无量纲法向刚度Kn*的关系示意图；
图7为本申请实施例提供的盾构隧道管片接触面的动力特性确认装置的可选结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
对于盾构隧道这种由管片拼装而成的非连续性结构体，两个管片的接触面是影响结构受力、变形及使用状态的最关键部位，也是结构损坏、发生渗漏水的最常见部位。
在管片抗震动力特性分析方面，目前国内外学者一般采取以下三种方法对接头进行处理：
(1)对动力作用进行了静力/拟静力(例如地震系数法、反应位移法)的处理；
(2)对两个管片接触面局部进行了等效连续介质处理(例如对两个管片接触面局部进行弱化处理)；
(3)直接忽略两个管片接触面(例如等效均质圆环法)而只关注由多个管片组成的隧道的整体抗震性能。
但是，在实际地震波的作用下，两个管片接触面的附加接触应力会出现周期性的拉压变化，例如压应力过大会导致局部混凝土压碎，受拉时会对减小接头的抗弯刚度，导致接头张开；对接头受力、防水均会产生不利影响，结果可能导致接头出现不同的危险状态(例如错动、转角、张开)。因此，复杂动力作用对两个管片接触面的结构安全的影响是不容忽视的。
并且，两个管片接触面是一个非连续性构件，在吸收转化地震中能量的过程中涉及挤压、冲击、碰撞等非线性的接触问题，在这个过程中可能发生混凝土被压碎、螺栓被剪断、管片错动转动、接头张开漏水等。用传统的拟静力方法和局部等效连续介质的方法很难反应这些不利状况，从而掩盖接头在地震作用下的危险性；如果只关注整体抗震性能，忽视最容易破坏的部位，则无异于舍本逐末。
基于上述几点理由，对接头进行非连续接触动力反应分析不仅在理论上具有重要意义，而且对盾构隧道生命线工程具有重要的实用价值。
两个管片接触面在物理上是两个粗糙面组成的，两个管片接触面的动力特性在很大程度上由两个粗糙面的细观构造、物理性质所决定和影响。
相关技术中，机械零件接触面研究中大多将两粗糙面等效为一个粗糙面和一个光滑表面的接触，但等效的方法无法准确地反应管片之间错动转动、两个管片之间的接头张开漏水、螺栓被剪断等情况。而盾构隧道管片与机械零件相比，其核心的区别在于盾构隧道管片为多相介质材料，在筑模、混凝土搅拌、振捣、养护等工序上与机械零件制造相比，管片表面粗糙度的量级和差异性均比较大。
针对相关技术中两个管片接触面动力特性确认方法中存在的问题，本申请提出一种动力特性确认方法，能够解决现有技术方案中无法解决的技术难题和缺点。
图1示出了本申请实施例提供的盾构隧道管片接触面的动力特性确认方法的可选流程示意图，将根据各个步骤进行说明。
步骤S101，分别确定两个管片的粗糙面的分形维度参数和分形尺度参数。
在一些实施例中，所述两个管片的粗糙面包括：第一管片与第二管片接触时，所述第一管片与第二管片相接触的第一管片的粗糙面，以及第二管片与第一管片接触时，所述第二管片与所述第一管片相接触的第二管片的粗糙面。所述第一管片的粗糙面与所述第二管片的粗糙面接触，得到的两个管片接触面。
图2示出了两个管片的粗糙面相接触的结构示意图，将根据各个部分进行说明。
如图2所示，第一管片的粗糙面包括：第一管片与第二管片相接触的第一管片的粗糙面；第二管片的粗糙面包括：第二管片与第一管片相接触的第二管片的粗糙面；两个管片接触面包括：第一管片的粗糙面与第二管片的粗糙面相接触，形成的接触面。
在一些实施例中，所述动力特性确定装置分别确定两个管片的粗糙面的分形维度参数和分形尺度参数包括：所述动力特性确定装置通过双对数坐标系分别获得所述每个管片的粗糙面的粗糙度的功率谱密度的斜率和截距；分别基于所述每个管片的粗糙面的粗糙度的功率谱密度的斜率，确定所述管片的粗糙面的分形维度参数；所述动力特性确定装置分别基于所述每个管片的粗糙面的功率谱密度的截距，确定所述管片的粗糙面的分形尺度参数。
在一些实施例中，所述分形维度参数D和所述分形尺度参数G用于描述一个粗糙面。对于随机分形，如果使用相关技术中的整数维(例如1维、2维)去度量一个粗糙面，所述分形维度参数D和所述分形尺度参数G的结果通常为无穷大或者是0。
图3示出了本申请实施例提供的确定两个管片的粗糙面的分形维度参数和分形尺度参数的可选流程示意图，将根据各个步骤进行说明。
步骤S201，选择管片试件。
在一些实施例中，所述管片试件包括：对管片进行动力特性确认的过程中，使用的实验对象，所述管片试件包括：等比例缩小的管片模型、将材质均匀的圆管切割成管片形状或者实际施工时使用的管片。
在一些实施例中，所述第一管片和第二管片具有相同的物理特征，包括：两个管片的粗糙面的粗糙度的频谱、采样长度L。
步骤S202，获得两个管片的粗糙面的数据。
在一些实施例中，动力特性确定装置获得每个管片的粗糙面的数据，包括：所述动力特性确定装置对所述第一管片的粗糙面和所述第二管片的粗糙面进行扫描，获得所述第一管片的粗糙面和所述第二表面粗糙面的数据。所述数据包括表面粗糙度Z(x)与横向距离x。
在另一些实施例中，所述方法还包括：使用表面形貌仪获得每个管片的粗糙面的数据，包括：使用表面形貌仪对所述第一管片的粗糙面和所述第二管片的粗糙面进行扫描，获得所述第一管片的粗糙面和所述第二表面粗糙面的数据。所述数据包括表面粗糙度Z(x)与横向距离x。
在一些实施例中，所述动力特性确定装置使用W-M结构函数描述表面粗糙度Z(x)与横向距离x的关系；所述W-M结构函数是由Mandelbrot(1977)基于Weierstrass函数，发现的一种处处连续但处处不可微的函数来描述粗糙面这样的复杂分形几何。
在一些实施例中，所述第一管片的粗糙面的表面粗糙度和所述第二表面粗糙面的表面粗糙度的表达式可以是：
Figure BDA0002355143000000091
Figure BDA0002355143000000092
其中，x1为第一管片的横向距离，D1为第一管片的分形维度参数，G1为第一管片的分形尺度参数；x2为第二管片的横向距离，D2为第二管片的分形维度参数，G2为第二管片的分形尺度参数；γn为表面粗糙度Z(x)的频谱。
在一些实施例中，所述分形维度参数用于描述Z(x)在所有尺度上的不规则行，但无法确定Z(x)的具体尺寸。不同尺寸的两条分形曲线，可以具有相同的分形维度参数。因此，为全面地反映接触面的表面形态，本申请实施例引入一个表征粗糙度幅度的参数G，称为分形特性长度、分形特征参数或分形尺度参数，所述分形尺度参数决定了Z(x)的具体尺寸。
在一些实施例中，所述两个管片的粗糙面的轮廓具有非稳定的随机性，所述最低频率与采样长度L的关系可以是：
Figure BDA0002355143000000093
步骤S203，获得所述每个管片的粗糙面的功率谱密度的斜率和截距。
在一些实施例中，第一管片的表面粗糙度Z(x1)对应的功率谱密度可以是：
Figure BDA0002355143000000094
其中，ω1为第一管片的粗糙面的表面粗糙度波长的倒数。
在一些实施例中，第二管片的表面粗糙度Z(x2)对应的功率谱密度可以是：
Figure BDA0002355143000000095
其中，ω2为第二管片的粗糙面的表面粗糙度波长的倒数。
在一些实施例中，式(4)在双对数坐标系中，是一条直线。所述动力特性确定装置基于所述第一管片的粗糙面的表面粗糙度的功率谱密度的斜率，确定所述第一管片的粗糙面的分形维度参数，包括：所述直线的斜率与分形维度参数D1有关；所述动力特性确定装置基于所述第一管片的粗糙面的表面粗糙度的功率谱密度的截距，确定所述第一管片的粗糙面的分形尺度参数，包括：所述直线的截距与分形尺度参数G1有关。
在一些实施例中，式(5)在双对数坐标系中，是一条直线。所述动力特性确定装置基于所述第二管片的粗糙面的表面粗糙度的功率谱密度的斜率，确定所述第二管片的粗糙面的分形维度参数，包括：所述直线的斜率与分形维度参数D2有关；所述动力特性确定装置基于所述第二管片的粗糙面的表面粗糙度的功率谱密度的截距，确定所述第二管片的粗糙面的分形尺度参数，包括：所述直线的截距与分形尺度参数G2有关。
在一些实施例中，所述分形维度参数和所述分形尺度参数均与每个管片的粗糙面的表面粗糙度的频率无关，具有尺度独立性。
步骤S102，基于所述每个管片的粗糙面的分形维度参数和分形尺度参数，分别确定所述管片的粗糙面的临界接触面积。
在一些实施例中，在所述式(4)和式(5)中所述第一管片的分形维度参数D1与所述第二管片的分形维度参数D2相等的情况下，可以使用M-B模型研究单重分形对象的方式，确认所述两个管片接触面的动力特性，也可以使用本申请实施例提供的方法，确认所述两个管片接触面的动力特性。
在一些实施例中，所述临界接触面积包括：管片的粗糙面上的微凸点与光滑表面的接触面积，在所述管片的粗糙面上的微凸点与光滑表面的接触面积大于或等于所述临界接触面积的情况下，所述粗糙面上的微凸点全部处于塑性接触状态；在所述管片的粗糙面上的微凸点与光滑表面的接触面积小于所述临界接触面积的情况下，所述粗糙面上的微凸点部分处于塑性接触状态，所述粗糙面上的微凸点的另一部分处于弹塑性接触状态。
在一些实施例中，所述动力特性确认装置基于所述每个管片的粗糙面的分形维度参数和分形尺度参数，分别确定所述管片的粗糙面的临界接触面积，包括：在所述式(4)和式(5)中所述第一管片的分形维度参数D1与所述第二管片的分形维度参数D2不相等的情况下，所述第一管片的粗糙面和所述第二管片的粗糙面的接触，可以等效为一个双层粗糙面和一个刚性平面的接触。
在一些实施例中，对于两个管片均为混凝土材料的两个管片接触面而言，影响所述第一管片的粗糙面的临界接触面积ac1的因素包括：分形维度参数D1和分形尺度参数G1。
在一些实施例中，所述第一管片的粗糙面的临界接触面积ac1可以是第一管片的粗糙面上的微凸点的临界接触面积。
Figure BDA0002355143000000111
其中，E为弹性模型，σy为屈服应力，kμ为摩擦系数参数。
在一些实施例中，所述第二管片的粗糙面的临界接触面积ac2可以是第二管片的粗糙面上的微凸点的临界接触面积。
Figure BDA0002355143000000112
其中，
Figure BDA0002355143000000113
其中，μ为两个管片接触面材料的摩擦系数，在所述两个管片接触面是混凝土材料时，μ可以是0.55。近一步，式(8)中kμ为0.62。
步骤S103，确定所述两个管片接触面的最大接触面积。
在一些实施例中，所述确定所述两个管片接触面的最大接触面积，包括：所述动力特性确定装置基于两个管片的实际接触面积和所述两个管片中第一管片的分形维度参数，确定所述第一管片的最大接触面积；所述动力特性确定装置基于两个管片的实际接触面积和所述两个管片中第二管片的分形维度参数，确定所述第二管片的最大接触面积；在所述第一管片的最大接触面积小于所述第二管片的最大接触面积的情况下，所述动力特性确定装置确定所述第一管片和第二管片接触时，所述第一管片的最大接触面积为所述两个管片接触面的最大接触面积；或者，在所述第二管片的最大接触面积小于所述第一管片的最大接触面积的情况下，所述动力特性确定装置确定所述第一管片和第二管片接触时，所述第二管片的最大接触面积为所述两个管片接触面的最大接触面积。
在一些实施例中，所述动力特性确定装置基于两个管片的实际接触面积和所述两个管片中第一管片的分形维度参数，确定所述第一管片的最大接触面积包括：第一管片的粗糙面与第二管片的粗糙面接触后，具有相同的实际接触面积，即两个管片的实际接触面积。所述两个管片的实际接触面积Ar、所述第一管片的分形维度参数D1以及所述第一管片的最大接触面积aL1具有如下关系：
Figure BDA0002355143000000121
其中，ψ1为第一管片的扩展系数，根据第一管片的分形维度参数D1，查找分形维度参数与扩展系数对应的表格获得。
在一些实施例中，所述动力特性确定装置基于两个管片的实际接触面积和所述两个管片中第二管片的分形维度参数，确定所述第二管片的最大接触面积包括：第二管片的粗糙面与第一管片的粗糙面接触后，具有相同的实际接触面积，即两个管片的实际接触面积。所述两个管片的实际接触面积Ar、所述第二管片的分形维度参数D2以及所述第二管片的最大接触面积aL2具有如下关系：
Figure BDA0002355143000000131
其中，ψ2为第二管片的扩展系数，根据第二管片的分形维度参数D2，查找分形维度参数与扩展系数对应的表格获得。
在一些实施例中，所述两个管片接触面的最大接触面积的值为所述最大接触面积aL1与所述第二管片的最大接触面积aL2中较小的值，即：在所述第一管片的最大接触面积小于所述第二管片的最大接触面积的情况下，所述动力特性确定装置确定所述第一管片和第二管片接触时，所述第一管片的最大接触面积为所述两个管片接触面的最大接触面积；或者，在所述第二管片的最大接触面积小于所述第一管片的最大接触面积的情况下，所述动力特性确定装置确定所述第一管片和第二管片接触时，所述第二管片的最大接触面积为所述两个管片接触面的最大接触面积。
在一些实施例中，还包括：所述动力特性确定装置基于所述第一管片和第二管片接触时，两个管片接触面的最大接触面积，分别确定所述每个管片的粗糙面的分布密度函数。所述第一管片的粗糙面的分布密度函数可以是：
Figure BDA0002355143000000132
所述第二管片的粗糙面的分布密度函数可以是：
Figure BDA0002355143000000133
在另一些实施例中，所述每个管片的粗糙面的微凸点处于弹性形变状态下压力与接触面积之间的关系可以是：
Figure BDA0002355143000000134
Figure BDA0002355143000000135
其中，Pe1(a)为第一管片的粗糙面的微凸点处于弹性形变状态下压力，Pe2(a)为第二管片的粗糙面的微凸点处于弹性形变状态下压力。
步骤S104，基于所述最大接触面积和所述两个管片的粗糙面的临界接触面积，确定所述两个管片接触面的动力特性。
在一些实施例中，所述动力特性确定装置基于所述两个管片接触面的最大接触面积和所述两个管片的粗糙面的临界接触面积，确定所述两个管片接触面的动力特性包括：所述动力特性确定装置基于所述两个管片接触面的最大接触面积和所述两个管片的粗糙面的临界接触面积，确定所述第一管片的粗糙面上的微凸点的状态和所述第二管片的粗糙面上的微凸点的状态；所述动力特性确定装置基于所述第一管片的粗糙面上的微凸点的状态和所述第二管片的粗糙面上的微凸点的状态，确定所述两个管片接触面的动力特性。
在一些实施例中，所述两个管片接触面的动力特性包括：法向刚度和接触压力。
在一些实施例中，所述动力特性确定装置基于所述两个管片接触面的最大接触面积和所述两个管片的粗糙面的临界接触面积，确定所述第一管片的粗糙面上的微凸点的状态和所述第二管片的粗糙面上的微凸点的状态包括：在所述两个管片接触面的最大接触面积在所述两个管片的粗糙面的临界接触面积之间的情况下，所述动力特性确定装置确定所述两个管片中粗糙面的临界接触面积大于或等于所述两个管片接触面的最大接触面积的管片的粗糙面上的微凸点部分处于全塑性状态，另一部分处于弹塑性状态；所述动力特性确定装置确定所述两个管片中粗糙面的临界接触面积小于所述两个管片接触面的最大接触面积的管片的粗糙面上的微凸点均处于全塑性状态。
在一些实施例中，第一管片的粗糙面的临界接触面积大于两个管片接触面的最大接触面积，所述两个管片接触面的最大接触面积大于所述第二管片的粗糙面的临界接触面积的情况下，即ac2<aL<ac1，第一管片的粗糙面上的每个微凸点的法向接触刚度值为：
Figure BDA0002355143000000151
其中，R为微凸点的等效半径。基于所述第一管片的粗糙面上的微凸点中，处于弹塑性状态的微凸点的压力确定所述两个管片接触面的法向刚度包括：基于处于弹塑性状态的每个微凸点的法向接触刚度在所述第一管片的粗糙面的分布密度函数上进行积分，确定所述两个管片接触面的总的法向刚度：
Figure BDA0002355143000000152
对Kn进行无量纲处理，所述Kn的无量纲表达式为：
Figure BDA0002355143000000153
其中，
Figure BDA0002355143000000154
其中，Kn *为压力的无量纲表达式，D1 *为第一管片的分形维度参数的无量纲表达式，ac1 *为第一管片的粗糙面的临界接触面积的无量纲表达式。
在一些实施例中，所述动力特性确定装置基于所述第一管片的粗糙面上的微凸点中，处于弹塑性状态的微凸点的压力确定所述两个管片接触面的接触压力包括：所述动力特性确定装置基于处于弹塑性状态的每个微凸点的弹性接触压力在所述第一管片的粗糙面的分布密度函数上进行积分，所述动力特性确定装置基于处于塑性状态的每个微凸点的弹性接触压力在所述第一管片的粗糙面的分布密度函数上进行积分，与所述动力特性确定装置基于处于塑性状态的每个微凸点的弹性接触压力在所述第二管片的粗糙面的分布密度函数上进行积分的和，即为所述两个管片接触面的总的接触压力。
在D1≠1.5的情况下，所述两个管片接触面的接触压力为：
Figure BDA0002355143000000161
对式(19)进行无量纲处理：
Figure BDA0002355143000000162
在D1＝1.5的情况下，所述两个管片接触面的接触压力为：
Figure BDA0002355143000000163
对式(21)进行无量纲处理：
Figure BDA0002355143000000164
在另一些实施例中，所述动力特性确定装置基于所述两个管片接触面的最大接触面积和所述两个管片的粗糙面的临界接触面积，确定所述第一管片的粗糙面上的微凸点的状态和所述第二管片的粗糙面上的微凸点的状态包括：在所述两个管片接触面的最大接触面积均小于所述两个管片的粗糙面的临界接触面积之间的情况下，也就是aL<ac1<ac2，所述动力特性确定装置确定所述两个管片的粗糙面上的微凸点均处于弹塑性接触状态。
在一些实施例中，所述动力特性确定装置基于所述第一管片的粗糙面上的微凸点和所述第二管片的粗糙面上的微凸点中，处于弹塑性状态的微凸点的压力确定所述两个管片接触面的法向刚度包括：所述动力特性确定装置分别基于处于弹塑性状态的每个微凸点的法向接触刚度在所述第一管片的粗糙面的分布密度函数和所述第二管片的粗糙面的分布密度函数上进行积分，确定所述两个管片接触面的总的法向刚度：
Figure BDA0002355143000000171
对Kn进行无量纲处理，所述Kn的无量纲表达式为：
Figure BDA0002355143000000172
在一些实施例中，所述动力特性确定装置基于所述第一管片的粗糙面上的微凸点和所述第二管片的粗糙面上的微凸点中，处于弹塑性状态的微凸点的压力确定所述两个管片接触面的接触压力包括：所述动力特性确定装置分别基于处于弹塑性状态的每个微凸点的弹性接触压力在所述第一管片的粗糙面的分布密度函数和所述第二管片的粗糙面的分布密度函数上进行积分，所述动力特性确定装置基于处于塑性状态的每个微凸点的弹性接触压力在所述第一管片的粗糙面的分布密度函数和所述第二管片的粗糙面的分布密度函数上进行积分的和，即为所述两个管片接触面的总的接触压力。
在D1≠1.5且D2≠1.5的情况下，所述两个管片接触面的接触压力为：
Figure BDA0002355143000000181
对式(25)进行无量纲处理：
Figure BDA0002355143000000182
在D1＝1.5且D2＝1.5的情况下，所述两个管片接触面的接触压力为：
Figure BDA0002355143000000183
对式(27)进行无量纲处理：
Figure BDA0002355143000000184
图4示出了无量纲接触压力P*与无量纲法向刚度的关系示意图。其中，第一管片和第二管片均使用C50混凝土，所述C50混凝土的材料参数E＝4.8*104N/mm2，σy＝23.1N/mm2，且G1*＝G2*＝10-4。从图4可以得出，在分形维度参数D取值1.2、1.4、1.6、1.8的情况下，两个管片接触面的法向刚度均随两个管片接触面的接触压力的增大而增大，两个管片接触面的法向刚度与两个管片接触面的接触压力的相关关系呈现出一定的幂函数关系。
图5示出了分形维度参数D与无量纲法向刚度Kn*的关系示意图。其中，Ar*＝0.02，Ar*＝0.04，Ar*＝0.06，Ar*＝0.12，Ar*＝0.16，Ar*＝0.20时得到不同分形维度D(D1＝D2)的法向刚度Kn*。如图5所示，两个管片接触面的法向刚度均在分形维度D的曲线相关关系近似抛物线，两个管片接触面的法向刚度在D约等于1.2～1.3时取得最大值，而后迅速下降。曲线最高点(D＝1.2～1.3)对应的刚度值是最低点(D＝1.9)对应的刚度值的数十倍。
图6示出了分形尺度参数G与无量纲法向刚度Kn*的关系图。其中，Ar*＝0.02，Ar*＝0.04，Ar*＝0.06，Ar*＝0.12，Ar*＝0.16，Ar*＝0.20时得到不同分形维度G(G1＝G2)的法向刚度Kn*。如图6所示，两个管片接触面的法向刚度均在G*处于10-4量级时，随G*的增大而增大，且是加速增加的趋势。
如此，本申请实施例基于分形理论，提出了两个管片接触面的细观形貌描述方法并应用于两个管片接触面的法向刚度和接触压力计算模型，基于真实的两个管片接触的情况，考虑了两个管片接触面表面的不平整性对法向刚度和接触压力的影响。并且，本申请实施例建立的双粗糙面的两个管片接触面的非线性动力接触模型，能更为真实地描述两个管片接触面的法向刚度与法向变形之间呈现幂函数形式的非线性关系，得到更精确的动力特性结果。计算模型采用无量纲化处理，具有更为广泛的应用。
图7示出了本申请实施例提供的盾构隧道管片接触面的动力特性确认装置的可选结构示意图，将根据各个部分进行说明。
动力特性确认装置400包括确定单元401。
所述确定单元401，用于分别确定两个管片的粗糙面的分形维度参数和分形尺度参数。
所述确定单元401，还用于基于所述每个管片的粗糙面的分形维度参数和分形尺度参数，分别确定所述管片的粗糙面的临界接触面积。
所述确定单元401，还用于基于所述两个管片的粗糙面的临界接触面积，确定所述两个管片接触面的最大接触面积。
所述确定单元401，还用于基于所述最大接触面积和所述两个管片的粗糙面的临界接触面积，确定所述两个管片接触面的动力特性。
所述动力特性确定装置还包括：获得单元402。
所述获得单元402，用于通过双对数坐标系分别获得所述每个管片的粗糙面的表面粗糙度的功率谱密度的斜率和截距。
所述确定单元401，还用于分别基于所述每个管片的粗糙面的表面粗糙度的功率谱密度的斜率，确定所述管片的粗糙面的分形维度参数；用于分别基于所述每个管片的粗糙面的表面粗糙度的功率谱密度的截距，确定所述管片的粗糙面的分形尺度参数。
所述确定单元401，还用于基于两个管片的实际接触面积和所述两个管片中第一管片的分形维度参数，确定所述第一管片的最大接触面积。
所述确定单元401，还用于基于两个管片的实际接触面积和所述两个管片中第二管片的分形维度参数，确定所述第二管片的最大接触面积。
包括：在所述第一管片的最大接触面积小于所述第二管片的最大接触面积的情况下，确定所述第一管片和第二管片接触时，所述第一管片的最大接触面积为所述两个管片接触面的最大接触面积。
或者，在所述第二管片的最大接触面积小于所述第一管片的最大接触面积的情况下，确定所述第一管片和第二管片接触时，所述第二管片的最大接触面积为所述两个管片接触面的最大接触面积。
所述确定单元401，还用于基于所述第一管片和第二管片接触时，两个管片接触面的最大接触面积，分别确定所述每个管片的粗糙面的分布密度函数。
所述确定单元401，还用于在所述两个管片接触面的最大接触面积在所述两个管片的粗糙面的临界接触面积之间的情况下，基于所述处于弹塑性状态的微凸点的法向接触刚度确定所述两个管片接触面的法向刚度。
和/或，基于所述处于弹塑性状态的微凸点的压力确定所述两个管片接触面的接触压力。
所述确定单元401，还用于在所述两个管片接触面的最大接触面积均小于或等于所述两个管片的粗糙面的临界接触面积之间的情况下，基于所述处于弹塑性状态的微凸点的法向接触刚度确定所述两个管片接触面的法向刚度，和/或，基于所述处于弹塑性状态的微凸点的压力确定所述两个管片接触面的接触压力。
所述动力特性确定装置400还包括：处理单元403。
所述处理单元403，用于对所述两个管片接触面的法向刚度和/或所述两个管片接触面的接触压力进行无量纲处理。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序命令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一存储介质中，前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
或者，本申请上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干命令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种盾构隧道管片接触面的动力特性确定方法，其特征在于，所述方法包括：
分别确定两个管片的粗糙面的分形维度参数和分形尺度参数；
其中，所述分别确定两个管片的粗糙面的分形维度参数和分形尺度参数包括：
通过双对数坐标系分别获得所述每个管片的粗糙面的表面粗糙度的功率谱密度的斜率和截距；
分别基于所述每个管片的粗糙面的表面粗糙度的功率谱密度的斜率，确定所述管片的粗糙面的分形维度参数；
分别基于所述每个管片的粗糙面的表面粗糙度的功率谱密度的截距，确定所述管片的粗糙面的分形尺度参数；
基于所述每个管片的粗糙面的分形维度参数和分形尺度参数，分别确定所述管片的粗糙面的临界接触面积；
确定所述两个管片接触面的最大接触面积；
基于所述最大接触面积和所述两个管片的粗糙面的临界接触面积，确定所述两个管片接触面的动力特性；其中，所述两个管片接触面的动力特性包括法向刚度和接触压力，其中所述法向刚度和接触压力呈现出幂函数关系。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述两个管片接触面的最大接触面积包括：
基于两个管片的实际接触面积和所述两个管片中第一管片的分形维度参数，确定所述第一管片的最大接触面积；
基于两个管片的实际接触面积和所述两个管片中第二管片的分形维度参数，确定所述第二管片的最大接触面积；
在所述第一管片的最大接触面积小于所述第二管片的最大接触面积的情况下，确定所述第一管片和第二管片接触时，所述第一管片的最大接触面积为所述两个管片接触面的最大接触面积；
或者，在所述第二管片的最大接触面积小于所述第一管片的最大接触面积的情况下，确定所述第一管片和第二管片接触时，所述第二管片的最大接触面积为所述两个管片接触面的最大接触面积。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于第一管片和第二管片接触时，两个管片接触面的最大接触面积，分别确定所述每个管片的粗糙面的分布密度函数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述两个管片接触面的动力特性包括：
在所述两个管片接触面的最大接触面积在所述两个管片的粗糙面的临界接触面积之间的情况下，基于所述处于弹塑性状态的微凸点的法向接触刚度确定所述两个管片接触面的法向刚度；
和/或，基于所述处于弹塑性状态的微凸点的压力确定所述两个管片接触面的接触压力。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述两个管片接触面的动力特性包括：
在所述两个管片接触面的最大接触面积均小于或等于所述两个管片的粗糙面的临界接触面积之间的情况下，基于所述处于弹塑性状态的微凸点的法向接触刚度确定所述两个管片接触面的法向刚度；
和/或，基于所述处于弹塑性状态的微凸点的压力确定所述两个管片接触面的接触压力。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
对所述两个管片接触面的法向刚度和/或所述两个管片接触面的接触压力进行无量纲处理。
7.一种盾构隧道管片接触面的动力特性确定装置，其特征在于，所述装置包括：
确定单元，用于分别确定两个管片的粗糙面的分形维度参数和分形尺度参数；其中，所述确定单元还包括获得单元，所述获得单元，用于通过双对数坐标系分别获得所述每个管片的粗糙面的表面粗糙度的功率谱密度的斜率和截距；
所述确定单元，还用于分别基于所述每个管片的粗糙面的粗糙度的功率谱密度的斜率，确定所述管片的粗糙面的分形维度参数；用于分别基于所述每个管片的粗糙面的表面粗糙度的功率谱密度的截距，确定所述管片的粗糙面的分形尺度参数；还用于基于所述每个管片的粗糙面的分形维度参数和分形尺度参数，分别确定所述管片的粗糙面的临界接触面积；
还用于确定所述两个管片接触面的最大接触面积；
还用于基于所述最大接触面积和所述两个管片的粗糙面的临界接触面积，确定所述两个管片接触面的动力特性；其中，所述两个管片接触面的动力特性包括法向刚度和接触压力，其中所述法向刚度和接触压力呈现出幂函数关系。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述确定单元还用于：
基于两个管片的实际接触面积和所述两个管片中第一管片的分形维度参数，确定所述第一管片的最大接触面积；
基于两个管片的实际接触面积和所述两个管片中第二管片的分形维度参数，确定所述第二管片的最大接触面积；
在所述第一管片的最大接触面积小于所述第二管片的最大接触面积的情况下，确定所述第一管片和第二管片接触时，所述第一管片的最大接触面积为所述两个管片接触面的最大接触面积；
或者，在所述第二管片的最大接触面积小于所述第一管片的最大接触面积的情况下，确定所述第一管片和第二管片接触时，所述第二管片的最大接触面积为所述两个管片接触面的最大接触面积。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述确定单元还用于：
基于第一管片和第二管片接触时，两个管片接触面的最大接触面积，分别确定所述每个管片的粗糙面的分布密度函数。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述确定单元还用于：
在所述两个管片接触面的最大接触面积在所述两个管片的粗糙面的临界接触面积之间的情况下，基于所述处于弹塑性状态的微凸点的法向接触刚度确定所述两个管片接触面的法向刚度；
和/或，基于所述处于弹塑性状态的微凸点的压力确定所述两个管片接触面的接触压力。
11.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述确定单元还用于：
在所述两个管片接触面的最大接触面积均小于或等于所述两个管片的粗糙面的临界接触面积之间的情况下，基于所述处于弹塑性状态的微凸点的法向接触刚度确定所述两个管片接触面的法向刚度；
和/或，基于所述处于弹塑性状态的微凸点的压力确定所述两个管片接触面的接触压力。
12.根据权利要求10或11所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
处理单元，用于对所述两个管片接触面的法向刚度和/或所述两个管片接触面的接触压力进行无量纲处理。
13.一种存储介质，存储有可执行程序，其特征在于，所述可执行程序被处理器执行时，实现权利要求1至6任一项所述的盾构隧道管片接触面的动力特性确定方法。
14.一种盾构隧道管片接触面的动力特性确定装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并能够由所述处理器运行的可执行程序，其特征在于，所述处理器运行所述可执行程序时执行如权利要求1至6任一项所述的盾构隧道管片接触面的动力特性确定方法的步骤。
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