城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能演化與感控基礎(chǔ)理論講解

1、項目名稱：城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能演化與感控基礎(chǔ)理論首席科學(xué)家：朱合華 同濟大學(xué)起止年限：2011.11-2016.8依托部門：教育部 上海市科委一、關(guān)鍵科學(xué)問題及研究內(nèi)容2.1 關(guān)鍵科學(xué)問題的提出隨著我國大量的城市軌道交通建成并投入使用，其結(jié)構(gòu)健康服役的重要性日漸突出。城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命為100年，在此期間由于結(jié)構(gòu)性能劣化、服役環(huán)境變化、低頻循環(huán)振動等內(nèi)外因素共同作用下，城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)會發(fā)生變化，性能逐步退化，加之我國軌道交通建設(shè)速度迅猛，結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量難免存在一定程度的缺陷，且結(jié)構(gòu)損壞后不易或不可更換，給軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康服役狀態(tài)的判斷和預(yù)知控制帶來了極大困難，亟需

2、開展系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究。城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)處于固液氣耦合作用的賦存環(huán)境下，加上軌道交通低頻周期動載作用下的疲勞效應(yīng)、復(fù)雜滲流邊界與循環(huán)振動荷載的累加效應(yīng)、臨近施工和運營擾動、結(jié)構(gòu)自身的初始損傷和缺陷等多種內(nèi)外因素共同作用下結(jié)構(gòu)性能不斷劣化，受力體系易出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，其演化過程高度非線性、性能演化機理難清，因而第一個科學(xué)問題是動態(tài)時空環(huán)境效應(yīng)下的地下結(jié)構(gòu)性能演化機理，研究內(nèi)容為城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)材料施工期和服役期性能演化機理、初始損傷和缺陷狀態(tài)下結(jié)構(gòu)性能演變規(guī)律、結(jié)構(gòu)的病害形成機理。城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)為超長線狀地下結(jié)構(gòu)，在服役過程中受各種因素的影響逐漸出現(xiàn)病害，其結(jié)構(gòu)性能隨之不斷劣化，健康狀態(tài)極

3、其難知。為滿足結(jié)構(gòu)長期健康服役的需求，在揭示其受力與變形演化歷史及現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，需要采用經(jīng)濟、高效的監(jiān)測方法，全覆蓋智能感知超長地下結(jié)構(gòu)性能，研究結(jié)構(gòu)在單一、多種病害組合狀態(tài)下的響應(yīng)機理，確定結(jié)構(gòu)性能對各種環(huán)境因素的敏感性與發(fā)展趨勢，達(dá)到定量化預(yù)知結(jié)構(gòu)未來力學(xué)行為及其服役性能的目的，因而第二個科學(xué)問題是超長線狀地下結(jié)構(gòu)的狀態(tài)智慧感知與評估理論，研究內(nèi)容為結(jié)構(gòu)狀態(tài)智慧感知、結(jié)構(gòu)服役性能評估指標(biāo)體系與標(biāo)準(zhǔn)、健康診斷理論、缺陷狀態(tài)下服役性能的預(yù)知、局部損傷結(jié)構(gòu)服役可靠度的退化機理與干預(yù)機制。在以上兩個關(guān)鍵科學(xué)問題研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)服役特點，針對地下水賦存環(huán)境下的結(jié)構(gòu)性能所處的不同

4、狀態(tài)開展結(jié)構(gòu)智能自修復(fù)與自適應(yīng)加固理論研究，建立健康服役機制和保障體系，變被動獲取結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)為主動控制服役性能，以解決地下結(jié)構(gòu)損壞后極其難修的問題，因而第三個科學(xué)問題是地下水環(huán)境下的結(jié)構(gòu)自修復(fù)機制與自適應(yīng)控制理論，研究內(nèi)容為適合于城市軌道交通環(huán)境特點的地下結(jié)構(gòu)智能自修復(fù)基礎(chǔ)理論、設(shè)計方法與服役性能多尺度分析方法及基于性能退化的自適應(yīng)加固理論，結(jié)構(gòu)健康服役智能服務(wù)機制和數(shù)字化保障體系。2.2 關(guān)鍵科學(xué)問題的內(nèi)涵本項目以城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康服役為目標(biāo)，緊密圍繞城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能的演化、評估預(yù)知和控制三個基礎(chǔ)科學(xué)問題，從多學(xué)科交叉的視角開展系統(tǒng)研究，揭示城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能演化機制，

5、建立城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能評估預(yù)知與控制的系統(tǒng)科學(xué)理論。本項目擬解決的三個科學(xué)問題的內(nèi)涵具體如下：科學(xué)問題一：動態(tài)時空環(huán)境效應(yīng)下的地下結(jié)構(gòu)性能演化機理城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)廣泛采用混凝土結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式多樣，包括管片與螺栓連接的拼裝式結(jié)構(gòu)、預(yù)澆的沉管結(jié)構(gòu)、現(xiàn)澆的襯砌結(jié)構(gòu)等，在服役過程中長期處于復(fù)雜的物理化學(xué)力學(xué)條件下，各種內(nèi)外環(huán)境均會對城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)的材料性能和全壽命產(chǎn)生重要的影響，例如，在軌道交通低頻周期動載作用下的疲勞效應(yīng)、復(fù)雜滲流邊界與循環(huán)振動荷載的累加效應(yīng)、雜散電流的彌流、環(huán)境介質(zhì)中侵蝕性物質(zhì)在結(jié)構(gòu)中的遷移、結(jié)構(gòu)臨空面干濕交替邊界的擴散、鄰近施工擾動（開挖、打樁、降水、堆載等）、

6、既有軌道交通等建（構(gòu)）筑物的運營擾動。因此城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)的動態(tài)時空環(huán)境效應(yīng)、結(jié)構(gòu)性能與環(huán)境耦合作用機制、以及復(fù)雜環(huán)境下的城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)材料全壽命期性能演化機理是本項目的重要科學(xué)問題。通過該科學(xué)問題的系統(tǒng)研究，提出上述復(fù)雜環(huán)境下結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化的本源多尺度模型，揭示有缺陷結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)變化規(guī)律及其長期性能演化機理，創(chuàng)建城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)材料服役性能演化分析理論框架，尋求軌道交通地下結(jié)構(gòu)的最佳修復(fù)時機和最佳感知位臵，并為軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能的評估預(yù)知與控制提供必要的材料參數(shù)、力學(xué)模型和計算理論?？茖W(xué)問題二：超長線狀地下結(jié)構(gòu)狀態(tài)智慧感知與評估理論智慧感知評估包括感知（典型/關(guān)鍵部位的信息獲取

7、與無線傳輸）、儲存（海量數(shù)據(jù)的存儲與處理）和思維（預(yù)知模型與評價標(biāo)準(zhǔn)）。在信道雜亂、電磁兼容性要求高等復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行超長線狀地下結(jié)構(gòu)（區(qū)間隧道、地鐵車站等）的狀態(tài)感知和評估，需要針對城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)特定的服役環(huán)境，建立地下結(jié)構(gòu)混凝土損傷的智慧感知理論、地下復(fù)雜區(qū)域無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）的集成方法、有缺陷結(jié)構(gòu)服役性能的預(yù)知模型、基于海量數(shù)據(jù)分析的結(jié)構(gòu)病害特征指標(biāo)體系和定量化評價基準(zhǔn)，提出城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)的最佳智慧感知方案和預(yù)知方法，以突破地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜環(huán)境下的智慧感知瓶頸，并為城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能的評估、預(yù)知和控制提供必要的理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)?？茖W(xué)問題三：地下水環(huán)境下的結(jié)構(gòu)自修復(fù)機制與

8、自適應(yīng)控制理論城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)在地下水特定環(huán)境的影響和作用下，會加速結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)的連續(xù)劣化，然而其環(huán)境特點決定了結(jié)構(gòu)一旦損壞，則不易甚至不可更換。為克服傳統(tǒng)修復(fù)加固方法的缺點，擬對地下水復(fù)雜環(huán)境下地下結(jié)構(gòu)損傷的智能自修復(fù)機制與多尺度分析理論進(jìn)行研究，探索并建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)損傷智能自修復(fù)基礎(chǔ)理論、生物/礦物自修復(fù)方法和基于性能退化的地下結(jié)構(gòu)自適應(yīng)加固理論，提出城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)的最佳修復(fù)和加固方法，為實現(xiàn)軌道交通地下結(jié)構(gòu)的主動、自動修復(fù)和加固提供理論基礎(chǔ)和方法體系。在保障體系方面，研究城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)全壽命數(shù)字化理論與方法、健康服役智能服務(wù)新機制，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能的演化、智慧感知、評估預(yù)知、

9、智能自修復(fù)、自適應(yīng)加固的有機融合，變被動獲取結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)為主動控制結(jié)構(gòu)服役性能，形成完整的城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能自適應(yīng)控制理論。2.3 主要研究內(nèi)容1.動態(tài)服役環(huán)境中的地下結(jié)構(gòu)材料全壽命期性能演化機理（1）地下結(jié)構(gòu)材料建設(shè)期性能形成機理（2）動態(tài)服役環(huán)境中地下結(jié)構(gòu)材料服役性能的演變機理（3）固液氣耦合下全壽命期地下結(jié)構(gòu)材料性能演變機理（4）侵蝕性環(huán)境下具有初始損傷地下結(jié)構(gòu)材料的性能演變規(guī)律2.地下結(jié)構(gòu)性能與環(huán)境耦合作用機制（1）內(nèi)外環(huán)境變化與地下結(jié)構(gòu)耦合的作用機制（2）交通循環(huán)荷載對地下結(jié)構(gòu)性能的致?lián)p機理（3）損傷與施工缺陷對地下結(jié)構(gòu)性能演化的影響機理3. 超長線狀地下結(jié)構(gòu)狀態(tài)智慧感知理論與

10、方法（1）地下結(jié)構(gòu)混凝土損傷智能傳感理論（2）超長線狀地下結(jié)構(gòu)狀態(tài)感知方法（3）地下復(fù)雜區(qū)域無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）的集成與應(yīng)用理論4.動態(tài)時空環(huán)境效應(yīng)下的地下結(jié)構(gòu)健康診斷與服役性能預(yù)知理論（1）地下結(jié)構(gòu)健康診斷的指標(biāo)體系和診斷基準(zhǔn)（2）地下結(jié)構(gòu)健康的系統(tǒng)診斷理論（3）地下結(jié)構(gòu)服役性能的演變機理（4）有缺陷結(jié)構(gòu)服役性能演化預(yù)知模型和方法（5）主動加固地下結(jié)構(gòu)的長期服役性能預(yù)測方法5. 地下水環(huán)境下的結(jié)構(gòu)智能自修復(fù)與加固理論（1）地下水環(huán)境下地下結(jié)構(gòu)損傷的智能自修復(fù)機制（2）智能自修復(fù)地下結(jié)構(gòu)服役性能的多尺度分析方法（3）地下水環(huán)境下地下結(jié)構(gòu)損傷的生物/礦物自修復(fù)方法（4）基于性能退化的地下結(jié)構(gòu)自

11、適應(yīng)加固理論6.地下結(jié)構(gòu)健康服役的數(shù)字化保障與控制體系（1）地下結(jié)構(gòu)全壽命期數(shù)字化理論與方法（2）地下結(jié)構(gòu)健康服役智能服務(wù)機制（3）地下結(jié)構(gòu)健康服役數(shù)字化保障與控制方法（4）地下結(jié)構(gòu)健康服役應(yīng)用示范二、預(yù)期目標(biāo)3.1 總體目標(biāo)針對城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能的演化、評估預(yù)知和控制開展基礎(chǔ)研究，揭示復(fù)雜環(huán)境下城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)材料性能形成和劣化機理，發(fā)展適合地下混凝土結(jié)構(gòu)損傷、開裂及破壞全過程模擬的計算新理論，探明初始損傷、施工缺陷和材料劣化條件下結(jié)構(gòu)長期性能演變規(guī)律以及與環(huán)境相互耦合作用機制；建立城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)服役性能的健康診斷模型和有缺陷結(jié)構(gòu)服役性能的預(yù)知模型，提出城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健

12、康的系統(tǒng)診斷理論和方法；形成城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)智能自修復(fù)基礎(chǔ)理論與多尺度分析方法及基于性能退化的結(jié)構(gòu)自適應(yīng)加固理論，構(gòu)建城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康服役的數(shù)字化保障和控制體系，并最終建立不同時空環(huán)境下城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)全壽命最優(yōu)維護(hù)理論，實現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)的可知、可控。3.2 五年預(yù)期目標(biāo)本項目以我國城市軌道交通健康服役的重大需求為導(dǎo)向，開展關(guān)鍵科學(xué)問題的研究，五年取得的預(yù)期目標(biāo)如下：（1）深入研究復(fù)雜環(huán)境下地下結(jié)構(gòu)材料性能形成和演化的規(guī)律，建立城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)材料性能演化分析理論。（2）提出復(fù)雜環(huán)境下城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能演化的時效分析模型及計算理論，揭示結(jié)構(gòu)性能全壽命期發(fā)展和演化規(guī)

13、律。（3）提出適合于城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)全壽命期結(jié)構(gòu)狀態(tài)的高效、全域、經(jīng)濟的智慧感知方法，建立結(jié)構(gòu)健康服役過程的實時、主動監(jiān)控系統(tǒng)模型。（4）完善城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)病害指標(biāo)體系，建立城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)服役性能的健康診斷模型和有缺陷地下結(jié)構(gòu)服役性能的預(yù)知模型，提出城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康的系統(tǒng)診斷理論和方法。（5）建立軌道交通地下結(jié)構(gòu)智能自修復(fù)的基礎(chǔ)理論、設(shè)計方法與服役性能多尺度分析方法及基于性能退化的地下結(jié)構(gòu)自適應(yīng)加固理論，提出復(fù)雜環(huán)境下的軌道交通地下結(jié)構(gòu)主動、自動修復(fù)理論和方法。（6）形成我國城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康服役數(shù)字化保障機制，建立完整的城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能控制理論和保障體系

14、。在國內(nèi)外高水平學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文200篇以上（其中150篇SCI論文），專著3本，申請國家發(fā)明專利20項，培養(yǎng)博士生50人、碩士生80人，凝聚和培育國內(nèi)一批城市軌道交通健康服役的高水平研究隊伍，培養(yǎng)本領(lǐng)域的優(yōu)秀科學(xué)家及創(chuàng)新團(tuán)隊，形成具有重要國際影響的研究團(tuán)隊，整體提升我國在該領(lǐng)域的國際地位。三、研究方案4.1 學(xué)術(shù)思路以三個關(guān)鍵科學(xué)問題為核心，推進(jìn)巖土結(jié)構(gòu)與材料、物理、化學(xué)、生物、信息等多個學(xué)科及其交叉前沿理論研究，采用室內(nèi)實驗、現(xiàn)場實驗和監(jiān)測、物理模擬、理論分析、數(shù)值模擬等多種方法，開展系統(tǒng)的理論和方法研究，深刻認(rèn)識城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能全壽命期演化規(guī)律，研究城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)病害特征

15、和產(chǎn)生機理。在此基礎(chǔ)上建立有缺陷結(jié)構(gòu)服役性能的預(yù)知模型，提出城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康的診斷理論和綜合性診斷方法。通過結(jié)構(gòu)狀態(tài)智慧感知再現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下地下結(jié)構(gòu)性能演化過程，提出軌道交通地下結(jié)構(gòu)智能自修復(fù)基礎(chǔ)理論及服役性能多尺度分析方法及基于性能退化的地下結(jié)構(gòu)自適應(yīng)加固理論，探索地下結(jié)構(gòu)生物/礦物修復(fù)方法。構(gòu)建城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康服役的數(shù)字化保障體系，形成城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能控制理論，并進(jìn)行應(yīng)用驗證。本項目總體學(xué)術(shù)思路如圖1所示。圖1總體學(xué)術(shù)思路4.2 技術(shù)途徑圍繞總體學(xué)術(shù)思路，本項目的技術(shù)途徑如圖2所示。（1）針對地下結(jié)構(gòu)全壽命期性能演化過程，構(gòu)建能考慮地下混凝土結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)影響的本構(gòu)

16、模型，建立預(yù)測結(jié)構(gòu)材料的微細(xì)宏觀性能模型和精細(xì)分析結(jié)構(gòu)材料物理和力學(xué)行為的計算方法。利用非線性動力理論、不連續(xù)介質(zhì)條件下的滲流、概率可靠度理論及先進(jìn)的數(shù)值計算方法，依托城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)綜合試驗系統(tǒng)，研究軌道交通循環(huán)荷載下土體動力學(xué)行為特性、結(jié)構(gòu)和環(huán)境的相互影響效應(yīng)，以及在內(nèi)外環(huán)境變化下軌道交通地下結(jié)構(gòu)的性能演化機理和退化機制、受損結(jié)構(gòu)性能分析理論。通過實驗研究城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)混凝土性能形成過程的動態(tài)時變行為，分析影響地下結(jié)構(gòu)性能的物理化學(xué)力學(xué)要素，探求結(jié)構(gòu)材料性能形成的規(guī)律和機理。通過理論分析研究復(fù)雜物理化學(xué)環(huán)境條件下地下結(jié)構(gòu)性能的退化機理，建立物理化學(xué)力學(xué)因素的耦合效應(yīng)的理論模型，提

17、出表述地下結(jié)構(gòu)服役環(huán)境作用效應(yīng)的特定邊值條件，以上海在役軌道交通為依托開展研究，驗證分析結(jié)構(gòu)性能演化的理論。（2）依托城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)綜合試驗系統(tǒng)，采用結(jié)構(gòu)模型試驗、巖土離心機試驗、數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測等方法揭示內(nèi)外界環(huán)境變化以及交通循環(huán)荷載對軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能影響規(guī)律，分析地下結(jié)構(gòu)致?lián)p和病害形成機理。發(fā)展適合地下混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷、開裂及破壞過程模擬的計算理論，形成初始損傷和施工缺陷狀態(tài)下的地下混凝土結(jié)構(gòu)性能分析與評估方法。采用隨機概率可靠度理論、不連續(xù)介質(zhì)條件下的滲流理論、動力分析理論、損傷力學(xué)等建立結(jié)構(gòu)性能的時效分析模型以及受損結(jié)構(gòu)的性能分析理論。（3）研制和改進(jìn)溫度、加速度、裂縫開

18、展、變形、滲漏微電子傳感器，對其性能進(jìn)行大量的室內(nèi)和現(xiàn)場試驗, 獲得其量程、精度等適用性關(guān)鍵參數(shù)；對無線自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)開展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、結(jié)點配置技術(shù)、結(jié)點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)融合的理論與室內(nèi)試驗；結(jié)合地下結(jié)構(gòu)性能演變的理論分析結(jié)果和地下結(jié)構(gòu)智慧感知理論成果，開展真實環(huán)境條件下的集成試驗，重點進(jìn)行軌道交通地下結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)診斷的實時數(shù)據(jù)流共享及運行監(jiān)控平臺的關(guān)鍵技術(shù)、海量數(shù)據(jù)快速處理和容錯性好的算法研究，建立系統(tǒng)完整的城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)狀態(tài)智慧感知方法。（4）以大量工程實例為依托，通過數(shù)據(jù)采集、歸類統(tǒng)計、對比分析等研究策略，輔以數(shù)值模擬、模型實驗等方法，揭示城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)病害產(chǎn)生與發(fā)展的一般性演化

19、規(guī)律，并把握其具有關(guān)鍵意義的指標(biāo)，對其進(jìn)行特征標(biāo)準(zhǔn)化描述；對各個病害特征屬性進(jìn)行揀選，采用改進(jìn)的層次分析理論作為指導(dǎo)性研究思路，建立多因素、多層次的城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)的病害指標(biāo)體系?；趩我徊『Φ亩炕鶞?zhǔn)，運用統(tǒng)計學(xué)、計算智能學(xué)方法和系統(tǒng)方法，建立多因素指標(biāo)與評價閥值的多層次映射關(guān)系，提出城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康的系統(tǒng)診斷原理和方法；在再現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷衍生及發(fā)展過程的基礎(chǔ)上，研究建立軌道交通地下結(jié)構(gòu)內(nèi)外環(huán)境耦合作用條件下結(jié)構(gòu)性能的演化規(guī)律與模型，建立基于人工智能與時間序列的地下結(jié)構(gòu)性能綜合預(yù)知方法。（5）基于物理模型試驗、微觀測量及數(shù)值仿真，研究修復(fù)介質(zhì)載體的斷裂機理、修復(fù)介質(zhì)的運移模式及行為

20、、修復(fù)介質(zhì)載體結(jié)構(gòu)的相互協(xié)調(diào)與相容性及多次修復(fù)機理，揭示復(fù)雜環(huán)境下軌道交通地下結(jié)構(gòu)損傷的智能自修復(fù)機制，形成系統(tǒng)的適合軌道交通服役特征和環(huán)境要求的結(jié)構(gòu)損傷智能自修復(fù)基礎(chǔ)理論。應(yīng)用多尺度理論，建立智能自修復(fù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性、耐久性等的多尺度分析模型和計算方法，并基于軌道交通地下結(jié)構(gòu)的復(fù)雜服役環(huán)境及受荷特性，建立其結(jié)構(gòu)修復(fù)后服役性能的預(yù)測理論與方法，形成基于性能退化的軌道交通地下結(jié)構(gòu)自適應(yīng)加固理論?；谖锢砟Ｐ驮囼灪蜕锘瘜W(xué)實驗及理論分析，形成地層地下水振動復(fù)雜環(huán)境下軌道交通地下結(jié)構(gòu)損傷的生物/礦物自修復(fù)方法。（6）在大量數(shù)值模擬、試驗和實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，揭示城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康服役各要素材料性能

21、、結(jié)構(gòu)性能與健康診斷、智慧、修復(fù)加固之間的相互關(guān)系，提出城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康服役智能服務(wù)模型；基于大量案例學(xué)習(xí)，以及多信息多方法的綜合集成，建立城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康服役智能服務(wù)機制；在對城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康服役相關(guān)的全壽命數(shù)據(jù)歸納的基礎(chǔ)上，提出數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和時空數(shù)據(jù)模型，采用面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫技術(shù)，實現(xiàn)全壽命數(shù)據(jù)管理；采用可視化、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實等方法，融合網(wǎng)格技術(shù)、WebGIS和三維增強現(xiàn)實技術(shù)，建立大規(guī)模城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)地下結(jié)構(gòu)健康服役數(shù)字化平臺，實現(xiàn)服役性能智能分析與決策、信息可視化展示，集成本項目各課題研究成果，建成城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康服役數(shù)字化保障體系。4.3 創(chuàng)新點（1）

22、地下結(jié)構(gòu)性能形成及演化機理揭示城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能在全壽命期中形成規(guī)律和控制性因素，提出結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化的本源多尺度模型；揭示內(nèi)外因素耦合作用下軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能的長期演化機制，提出初始損傷和施工缺陷地下結(jié)構(gòu)性能分析理論和計算模型。（2）地下結(jié)構(gòu)狀態(tài)感知及預(yù)知方法建立復(fù)雜環(huán)境下地下結(jié)構(gòu)性能實時感知與傳輸要求的城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)智慧感知方法；提出考慮環(huán)境影響的地下結(jié)構(gòu)性能退化模型，建立有缺陷地下結(jié)構(gòu)服役性能時空預(yù)知方法。（3）地下結(jié)構(gòu)性能修復(fù)及控制理論建立復(fù)雜環(huán)境下超長線狀地下結(jié)構(gòu)智能自修復(fù)理論和方法，提出自修復(fù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性、耐久性等多尺度分析方法及基于性能退化的結(jié)構(gòu)自適應(yīng)加固理論。提出大規(guī)

23、模城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)健康服役控制的智能服務(wù)模型和保障機制，建立城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康服役控制理論。在上述建立/提出的機理、理論、方法的基礎(chǔ)上，建立不同時空環(huán)境下城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)全壽命最優(yōu)維護(hù)理論。4.4 研究特色（1）針對性：針對城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康服役的基礎(chǔ)理論問題，如材料與結(jié)構(gòu)性能演化、健康診斷等開展研究，保證地下結(jié)構(gòu)在長期使用過程中健康、安全、可控，研究目標(biāo)十分明確。（2）前瞻性：隨著大量軌道工程的建設(shè)，如何評價和確保漫長服役期的結(jié)構(gòu)性能，是目前及今后面臨的重大問題。本課題開展結(jié)構(gòu)智慧感知、智能自修復(fù)加固、數(shù)字化保障體系等研究，符合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的趨勢，也為未來軌道交通地下結(jié)構(gòu)實現(xiàn)

24、智能、環(huán)保的修復(fù)加固提供了前瞻性的理論基礎(chǔ)和方法。（3）綜合性：從微觀、細(xì)觀、宏觀不同層次，揭示城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能演化機理和規(guī)律，得到初始損傷、施工缺陷與結(jié)構(gòu)病害和性能退化之間的有機聯(lián)系，符合應(yīng)用基礎(chǔ)研究的特點；研究充分體現(xiàn)多學(xué)科交叉與融合的特點，涉及巖土結(jié)構(gòu)與材料、物理、化學(xué)、生物、信息等多學(xué)科理論與方法。（4）系統(tǒng)性：針對城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康服役性能演化、感知預(yù)知、評估診斷、修復(fù)加固和控制開展系統(tǒng)的研究，形成完整的城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能演化、評估預(yù)知和控制理論體系。4.5 取得重大突破的可行性分析（1）我國正在進(jìn)行大規(guī)模的城市軌道交通建設(shè)，到2015年總長度將達(dá)到2260km，

25、其健康服役是目前面臨的共性的科學(xué)難題。上海地區(qū)軌道交通自1995 年1 號線投入運營以來，已經(jīng)出現(xiàn)許多急需解決的健康服役問題，申報單位已經(jīng)開展了前期工作，為本課題開展奠定了堅實的基礎(chǔ)。（2）項目研究團(tuán)隊一直從事結(jié)構(gòu)材料全壽命期性能演變機理、軌道交通地下結(jié)構(gòu)與環(huán)境的相互作用、地下結(jié)構(gòu)運營期健康診斷方法、混凝土自修復(fù)理論、工程數(shù)字化理論與方法的研究，具有扎實的基礎(chǔ)和很強的研究實力，承擔(dān)了多項與運營期軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能發(fā)展有關(guān)的自然科學(xué)基金、國家863項目、國家科技支撐計劃和地方重大科技攻關(guān)計劃，這些科研活動積累了大量運營軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能的現(xiàn)場實測資料，對了解、分析軌道交通地下結(jié)構(gòu)在環(huán)境影響下

26、的性能發(fā)展特點和規(guī)律，并對試驗結(jié)果和理論分析方法的合理性具有驗證和完善作用，為該項目的研究奠定了理論基礎(chǔ)。項目研究團(tuán)隊還結(jié)合城市軌道交通的施工、安全監(jiān)控、結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)與健康管理等方面開展了大量的實踐研究，對城市軌道交通健康服役的難點、可能的突破點有著深刻的認(rèn)識。（3）項目的組織實施有充分的硬件保證，項目研究團(tuán)隊所在單位擁有土木工程防災(zāi)國家重點實驗室、高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室、材料化學(xué)工程國家重點實驗室、亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室、先進(jìn)土木工程材料教育部重點實驗室、巖土及地下工程教育部重點實驗室、土木信息技術(shù)教育部工程研究中心、嵌入式系統(tǒng)與服務(wù)計算教育部重點實驗室、教育部城市環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展

27、聯(lián)合研究中心、控制結(jié)構(gòu)湖北省重點實驗室、土木工程安全科學(xué)湖南省重點實驗室、江蘇省土木工程與防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室、江蘇省無機非金屬材料重點實驗室等一批國家、省部級實驗室及研究中心，為該項目的完成提供了有力的硬件支撐和豐富的試驗理論基礎(chǔ)。（4）從研究人員來看，本項目匯集了我國在城市軌道地下結(jié)構(gòu)健康服役領(lǐng)域的最杰出人才，團(tuán)隊包括材料、結(jié)構(gòu)、力學(xué)、信息技術(shù)在內(nèi)的多學(xué)科交叉攻關(guān)隊伍。從參研單位來看，本項目凝聚了同濟大學(xué)、華中科技大學(xué)、中南大學(xué)、華南理工大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)等國內(nèi)實力雄厚的學(xué)術(shù)權(quán)威單位，也聯(lián)合了上海申通地鐵集團(tuán)有限公司這樣具有自主創(chuàng)新能力的地鐵建設(shè)與運營管理單位，形成了學(xué)科交叉、強強聯(lián)合、優(yōu)勢

28、互補的強有力的攻堅力量。這一團(tuán)隊的研究經(jīng)驗豐富，理論基礎(chǔ)雄厚，自主創(chuàng)新能力強、年富力強、肯鉆實干，具有取得重大突破的能力、潛力和實力。與此同時，項目聘有中國科學(xué)院、工程院院士作為學(xué)術(shù)顧問，為指明課題的研究方向和確保項目的研究水平提供了強有力的支持和保障。（5）研究團(tuán)隊具有廣泛的國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流機制，為項目研究關(guān)鍵科學(xué)問題的突破提供了良好的交流平臺,特別是與世界上該領(lǐng)域的專家學(xué)者保持緊密的合作和聯(lián)系。例如申請單位已經(jīng)與該領(lǐng)域最高水平的國外研究機構(gòu)，如美國加州大學(xué)洛杉磯分校、英國劍橋大學(xué)、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)、英國愛丁堡大學(xué)建立了良好的合作關(guān)系，并且聘請了這些學(xué)校中該領(lǐng)域方面的權(quán)威專家J. Wood

29、y Ju教授、Kenichi Soga 教授、Klass van Breugel教授、Yong Lu教授實質(zhì)性地參與到該項目中，可以共享科研成果和借鑒科研經(jīng)驗，始終站在世界研究的前沿，并取得一批具有國際領(lǐng)先的重大成果。4.6課題設(shè)置課題間關(guān)系本項目緊緊圍繞關(guān)鍵科學(xué)問題，充分考慮城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能演化、感知、評估、預(yù)知與控制之間的有機聯(lián)系及相互影響，根據(jù)分工明確、相對獨立、彼此關(guān)聯(lián)、目標(biāo)具體、確實可行的原則來設(shè)置課題。課題一從城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)材料性能的“形成及演化”的角度，系統(tǒng)分析結(jié)構(gòu)材料在“建造使用維護(hù)”全壽命期的性能特征及其演化規(guī)律，提出地下結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化的本源多尺度模型，建立城市軌

30、道交通地下結(jié)構(gòu)材料服役性能演化分析理論，為其它課題研究提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。課題二基于課題一研究結(jié)果，從城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能全壽命期演化角度出發(fā)，研究地下結(jié)構(gòu)性能與材料、環(huán)境的耦合作用機制，建立模擬城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)受力和變形特性的時效分析模型及計算理論。課題一與課題二共同為課題四、課題五提供了基礎(chǔ)理論支持。課題三研究超長線狀地下結(jié)構(gòu)狀態(tài)感知的高效、全域、經(jīng)濟的智慧感知方法，利用感知信息揭示軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能演化規(guī)律，為課題四和課題五服役性能定量評價和結(jié)構(gòu)修復(fù)加固提供依據(jù)。課題四綜合前三個課題的研究成果，建立有缺陷結(jié)構(gòu)服役性能預(yù)知模型和健康診斷理論，其重點是城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能評估與預(yù)

31、知理論這一關(guān)鍵科學(xué)問題。課題五在課題一和課題二的基礎(chǔ)上，研究地下水環(huán)境下軌道交通地下結(jié)構(gòu)損傷的智能自修復(fù)機制，形成軌道交通地下結(jié)構(gòu)損傷自感知、自修復(fù)一體化理論與多尺度分析方法，建立基于性能退化的軌道交通地下結(jié)構(gòu)自適應(yīng)加固理論，并探索處于不同性能與環(huán)境下地下結(jié)構(gòu)生物/礦物自修復(fù)方法，為軌道交通地下結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)主動、自動的修復(fù)加固提供理論基礎(chǔ)和方法體系。課題六是對前五個課題的綜合集成，建立城市軌道交通健康服役數(shù)字化平臺和智能服務(wù)機制，構(gòu)建城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康服役的數(shù)字化保障和控制體系，并結(jié)合城市軌道交通工程，對理論成果進(jìn)行科學(xué)驗證。本項目的研究目標(biāo)、關(guān)鍵科學(xué)問題與課題設(shè)置的相互關(guān)系如圖3所示。

32、圖3 研究目標(biāo)、關(guān)鍵科學(xué)問題與課題設(shè)置的相互關(guān)系課題1：動態(tài)服役環(huán)境中的地下結(jié)構(gòu)材料全壽命期性能演化機理研究目標(biāo)：從城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)材料性能的“形成及演化”的角度，系統(tǒng)分析地下結(jié)構(gòu)材料在“建造使用維護(hù)”全壽命期的性能特征及其演化規(guī)律，提出地下結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化的本源多尺度模型，創(chuàng)建城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)材料服役性能演化分析理論框架，為城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)服役性能評估和修復(fù)加固提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。研究內(nèi)容：（1）地下結(jié)構(gòu)材料建設(shè)期性能形成機理針對城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)，研究地下結(jié)構(gòu)材料在建設(shè)期性能形成過程中的多尺度特征和動態(tài)時變行為，分析影響地下結(jié)構(gòu)材料性能的物理化學(xué)力學(xué)要素，探求結(jié)構(gòu)材料性能形成的規(guī)律

33、和機理；建立地下混凝土結(jié)構(gòu)材料早期性能與微觀結(jié)構(gòu)本構(gòu)模型；構(gòu)建地下結(jié)構(gòu)材料早期多尺度本構(gòu)模型和早期持荷對結(jié)構(gòu)服役性能影響的分析模型，提出城市軌道交通中現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)及預(yù)制構(gòu)件施工質(zhì)量的保障措施。（2）動態(tài)服役環(huán)境中地下結(jié)構(gòu)材料服役性能的演變機理分析影響城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)材料服役性能的主要影響因素，研究復(fù)雜物理化學(xué)力學(xué)環(huán)境下結(jié)構(gòu)材料性能的退化機理。明確結(jié)構(gòu)材料及構(gòu)件在波動環(huán)境影響下的響應(yīng)規(guī)律、由于物質(zhì)運移所產(chǎn)生的積聚效應(yīng)、在軌道交通低頻周期動載作用下的疲勞效應(yīng)，以及雜散電流影響下混凝土性能退化機理，探索物理化學(xué)力學(xué)因素的耦合效應(yīng)的理論模型。（3）固液氣耦合下全壽命期地下結(jié)構(gòu)材料性能演變機理針對

34、城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)，研究地下水沿迎土面向結(jié)構(gòu)滲流的機制和環(huán)境介質(zhì)中離子隨水分的遷移過程；明確地下結(jié)構(gòu)臨空面干濕交替邊界的擴散機理；建立表述城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)服役環(huán)境中干濕交替、長期沁潤、空氣溫度/濕度波動等作用的特定邊值條件。（4）侵蝕性環(huán)境下具有初始損傷地下結(jié)構(gòu)材料的性能演變規(guī)律考慮軌道交通地下結(jié)構(gòu)由于施工過程所產(chǎn)生初始損傷，探索滲流耦合狀態(tài)下侵蝕性物質(zhì)在結(jié)構(gòu)構(gòu)件中沿其裂縫運移的規(guī)律，研究大氣環(huán)境及侵蝕性環(huán)境共同作用下，帶縫工作結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕機理和混凝土材料的性能劣化規(guī)律。經(jīng)費比例：17%課題承擔(dān)單位：南京工業(yè)大學(xué)、同濟大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：劉偉慶學(xué)術(shù)骨干：Klass van Breugel

35、，潘志華，王曙光課題2：地下結(jié)構(gòu)性能與環(huán)境耦合作用機制研究目標(biāo)：針對城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)服役過程中的環(huán)境作用特點，通過地下結(jié)構(gòu)性能與材料、環(huán)境的耦合作用機制研究，揭示復(fù)雜內(nèi)外因素作用下城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)長期性能的發(fā)展規(guī)律和破壞機理，建立考慮周邊環(huán)境影響的性能演化評估模型。發(fā)展適合地下混凝土結(jié)構(gòu)損傷、開裂、施工缺陷及破壞過程模擬的計算新理論，揭示有缺陷地下混凝土結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)變化規(guī)律及其長期性能演化機理，開發(fā)能考慮城市軌道交通全壽命期性能的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和維護(hù)方法。研究內(nèi)容：（1）內(nèi)外環(huán)境變化與軌道交通地下結(jié)構(gòu)耦合的作用機制探索影響軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能的外界環(huán)境因素及其與結(jié)構(gòu)自身相互作用規(guī)律；

36、綜合考慮土體介質(zhì)特性和地下水的影響，研究不同環(huán)境因素變化對軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能的時效影響機理，建立環(huán)境變化結(jié)構(gòu)性能時間之間的分析模型，揭示溫度和空氣動力耦合作用對軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能的影響機制；闡明外界環(huán)境變化條件下軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能的全壽命劣化機理和發(fā)展規(guī)律；研究軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能控制指標(biāo)，考慮結(jié)構(gòu)全壽命期內(nèi)強度與剛度，建立基于性能的結(jié)構(gòu)全壽命周期設(shè)計與維護(hù)理論。（2）交通循環(huán)荷載對軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能的致?lián)p機理研究循環(huán)交通荷載條件下結(jié)構(gòu)土層相互作用機制，揭示交通循環(huán)荷載作用下完整和滲漏水狀態(tài)地下結(jié)構(gòu)的短期與長期致?lián)p機理；研究地層變異條件下和隧橋過渡段在列車動力荷載下的長期沉降發(fā)展規(guī)律與

37、短期沖擊破壞機理；研究列車荷載對隧道結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響以及結(jié)構(gòu)的動力可靠性；建立交通循環(huán)荷載地層變異軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能演化模型和分析方法。（3）損傷與施工缺陷對地下結(jié)構(gòu)性能演化的影響機理分析城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)服役期存在的結(jié)構(gòu)損傷、施工缺陷及結(jié)構(gòu)病害類型與特征；研究適合地下混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷、開裂及破壞過程模擬的計算新理論；研究從微觀裂紋到宏觀裂縫的生成理論、擴展追蹤和接觸摩擦算法。揭示施工不當(dāng)引起缺陷狀態(tài)下地下混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變重分布規(guī)律及其裂縫、滲漏、破壞的機理，進(jìn)行有缺陷地下混凝土結(jié)構(gòu)性能分析與評估；對各種既有缺陷、損傷發(fā)展至病害層次的演化追蹤，揭示各種影響因素與結(jié)構(gòu)病害、各種不同病

38、害之間的內(nèi)在聯(lián)系。課題承擔(dān)單位：中南大學(xué)、同濟大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：彭立敏學(xué)術(shù)骨干：楊永斌，蔡永昌，戴瑛，楊小禮，施成華經(jīng)費比例：17%課題3：超長線狀地下結(jié)構(gòu)狀態(tài)智慧感知理論與方法研究目標(biāo)：針對城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)信道雜亂和電磁兼容性要求高等特點，研究適合于超長線狀地下結(jié)構(gòu)性能全壽命期的高效、全域、經(jīng)濟的智慧感知方法，突破軌道交通地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜環(huán)境下的智慧感知瓶頸，刻畫復(fù)雜環(huán)境下感知、通信、控制的脈絡(luò)結(jié)構(gòu)，力圖利用感知信息揭示軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能演化規(guī)律，為服役性能定量評價和結(jié)構(gòu)修復(fù)加固提供依據(jù)。研究內(nèi)容：（1）地下結(jié)構(gòu)混凝土損傷智能傳感理論研究揭示軌道交通地下結(jié)構(gòu)多種服役工況下自感知智能體（壓電陶

39、瓷、光纖陣列等）對損傷的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律。建立地下結(jié)構(gòu)混凝土初始損傷與缺陷的發(fā)現(xiàn)模型，形成適應(yīng)軌道交通復(fù)雜服役環(huán)境的地下結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)部狀態(tài)的實時、無損、在線智能傳感理論。（2）超長線狀地下結(jié)構(gòu)狀態(tài)感知方法針對超長線狀地下結(jié)構(gòu)特定的服役環(huán)境，研究溫濕度、加速度、裂縫開展度、變形量、滲漏量等物理量指標(biāo)的狀態(tài)感知方式。研究微電子機械系統(tǒng)（MEMS）智慧終端的實現(xiàn)方法，確立城市軌道交通環(huán)境下感知信息顆粒度、精度、信息維度等關(guān)鍵參數(shù)，實現(xiàn)感知結(jié)構(gòu)性能參數(shù)空間在感知系統(tǒng)上的有效映射。（3）地下復(fù)雜區(qū)域無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）的集成與應(yīng)用理論針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)感知中的適用性等難題，研究無線傳

40、感器網(wǎng)絡(luò)在城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)上部署的系統(tǒng)架構(gòu)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、結(jié)點配置等，通過信息融合等方法力爭實現(xiàn)感知功能自適應(yīng)，感知結(jié)構(gòu)自組織，感知信息自涌現(xiàn)。滿足復(fù)雜多變環(huán)境下結(jié)構(gòu)狀態(tài)感知信息的實時性、感知結(jié)構(gòu)的魯棒性要求。發(fā)展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在地下復(fù)雜區(qū)域的應(yīng)用理論。課題承擔(dān)單位：同濟大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：黃宏偉學(xué)術(shù)骨干：Kenichi Soga，何斌，謝雄耀，張亞英經(jīng)費比例：15%課題4、動態(tài)時空環(huán)境效應(yīng)下的地下結(jié)構(gòu)健康診斷與服役性能預(yù)知理論研究目標(biāo)：基于城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)為線狀結(jié)構(gòu)以及受結(jié)構(gòu)內(nèi)、外環(huán)境雙重約束的力學(xué)特點，在研究內(nèi)容一和研究內(nèi)容二的基礎(chǔ)上，建立有缺陷地下結(jié)構(gòu)服役性能的預(yù)知模型，從而對地下結(jié)構(gòu)健

41、康演化過程做出描述，揭示城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)長期性能退化機理。基于海量數(shù)據(jù)分析，提出地下結(jié)構(gòu)病害發(fā)展過程中的特征指標(biāo)體系和定量化評價基準(zhǔn)，建立地下結(jié)構(gòu)健康診斷理論和方法。研究內(nèi)容：（1）地下結(jié)構(gòu)健康診斷的指標(biāo)體系和診斷基準(zhǔn)基于潛在病害風(fēng)險因素的分析，選取城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)主要病害指標(biāo)，對其演化特征及其對結(jié)構(gòu)整體健康影響的映射關(guān)系進(jìn)行定量化研究。探討多種病害交互作用對地下結(jié)構(gòu)的復(fù)合影響，在城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康綜合評判體系的基礎(chǔ)上，建立完備的評估指標(biāo)集，并提出地下結(jié)構(gòu)病害指標(biāo)的定量化評價基準(zhǔn)。（2）地下結(jié)構(gòu)健康的系統(tǒng)診斷理論基于不同服役歷史的城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能的海量工程實測數(shù)據(jù)，考慮服

42、役條件和服役信息的不確定性，運用統(tǒng)計學(xué)、計算智能學(xué)方法和系統(tǒng)學(xué)方法，提出地下結(jié)構(gòu)健康的系統(tǒng)診斷原理和綜合性診斷方法，建立地下結(jié)構(gòu)服役性能的健康診斷物理經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃汀皸l件評估”理論，并結(jié)合城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)的當(dāng)前性能數(shù)據(jù)，診斷結(jié)構(gòu)當(dāng)前的服役狀態(tài)。（3）地下結(jié)構(gòu)服役性能的演變機理考慮城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)的類型，基于材料和構(gòu)件退化機理分析模型，研究在環(huán)境慢變侵蝕和極端侵襲下地下結(jié)構(gòu)體系物理狀態(tài)和服役性能的演變機理，建立地下結(jié)構(gòu)體系性能退化可靠度分析模型，提出地下結(jié)構(gòu)全壽命管養(yǎng)干預(yù)的科學(xué)方法。（4）有缺陷結(jié)構(gòu)服役性能演化預(yù)知模型和方法考慮城市軌道交通的結(jié)構(gòu)類型和周邊環(huán)境特點，以安全性、適用性、耐久性指

43、標(biāo)為基準(zhǔn)，綜合分析多種病害因素共同作用下地下結(jié)構(gòu)的力學(xué)演變規(guī)律和行為特征，研究建立地下結(jié)構(gòu)內(nèi)外環(huán)境耦合作用的結(jié)構(gòu)性能演化模型，提出基于人工智能方法與時間序列分析理論的結(jié)構(gòu)性能綜合預(yù)知模型和方法。課題承擔(dān)單位：華中科技大學(xué)、同濟大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：朱宏平學(xué)術(shù)骨干： Yong Lu，夏才初，李林經(jīng)費比例：15%課題5：地下水環(huán)境下的結(jié)構(gòu)智能自修復(fù)與加固理論研究目標(biāo)：研究地下水環(huán)境下軌道交通地下結(jié)構(gòu)損傷的智能自修復(fù)機制與多尺度分析方法，探索并建立相應(yīng)地下結(jié)構(gòu)損傷的智能自修復(fù)基礎(chǔ)理論和生物/礦物自修復(fù)方法，形成基于性能退化的地下結(jié)構(gòu)自適應(yīng)加固理論，為實現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)的主動、自動修復(fù)和加固提供理論基礎(chǔ)和方法體系

44、。研究內(nèi)容：（1）地下水環(huán)境下地下結(jié)構(gòu)損傷的智能自修復(fù)機制基于仿生自愈合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)原理，研究修復(fù)介質(zhì)載體的斷裂機理、修復(fù)介質(zhì)的運移模式及行為、修復(fù)介質(zhì)載體結(jié)構(gòu)的相互協(xié)調(diào)與相容性及多次修復(fù)機理，揭示地下水環(huán)境下軌道交通地下結(jié)構(gòu)損傷的智能自修復(fù)機制，形成適合軌道交通地下結(jié)構(gòu)服役特征和環(huán)境要求的損傷智能自修復(fù)基礎(chǔ)理論和方法。（2）智能自修復(fù)地下結(jié)構(gòu)服役性能的多尺度分析方法通過研究修復(fù)介質(zhì)載體或介質(zhì)的物理幾何特征及分布、結(jié)構(gòu)自修復(fù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分布模式、修復(fù)介質(zhì)載體結(jié)構(gòu)界面作用機制及復(fù)合體本構(gòu)模型，建立智能自修復(fù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性、耐久性等的多尺度分析模型和計算方法，并基于軌道交通地下結(jié)構(gòu)的復(fù)雜服役環(huán)境及受荷

45、特性，研究其結(jié)構(gòu)修復(fù)后服役性能的預(yù)測理論與方法。（3）地下水環(huán)境下地下結(jié)構(gòu)損傷的生物/礦物自修復(fù)方法針對具有初始損傷和施工缺陷的軌道交通地下結(jié)構(gòu)，研究復(fù)雜環(huán)境下生物/礦物自修復(fù)的機理及結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的演化規(guī)律，建立適合軌道交通地下結(jié)構(gòu)環(huán)境的生物/礦物自修復(fù)方法和修復(fù)性能評估體系。（4）基于性能退化的地下結(jié)構(gòu)自適應(yīng)加固理論研究地下結(jié)構(gòu)體系薄弱環(huán)節(jié)失穩(wěn)判據(jù)，基于智慧感知方法獲取的地下結(jié)構(gòu)變形和受力超限區(qū)信息，采用結(jié)構(gòu)體系服役性能退化的可靠度分析模型，建立軌道交通地下結(jié)構(gòu)體系的自適應(yīng)加固理論，實現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)的主動加固。（5）主動加固地下結(jié)構(gòu)的長期服役性能預(yù)測方法針對軌道交通地下結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境和受荷特性，

46、研究長期服役過程中加固材料及加固界面的時變力學(xué)模型，及其對地下結(jié)構(gòu)長期力學(xué)行為的影響規(guī)律，建立主動加固地下結(jié)構(gòu)的長期服役性能預(yù)測方法。課題承擔(dān)單位：華南理工大學(xué)、同濟大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：吳波學(xué)術(shù)骨干：袁勇，J. Woody Ju，楊正宏，蔣正武，王帆經(jīng)費比例：17%課題6：地下結(jié)構(gòu)健康服役的數(shù)字化保障與控制體系研究目標(biāo)：研究材料性能、結(jié)構(gòu)性能、健康診斷、智慧與修復(fù)加固的有機融合，建立城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康服役智能服務(wù)機制，變被動獲取結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)為主動控制服役性能，并研究城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)全壽命期數(shù)字化理論與方法，構(gòu)建城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康服役的數(shù)字化保障和控制體系。研究內(nèi)容：（1）地下結(jié)構(gòu)全

47、壽命期數(shù)字化理論與方法探索城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)“建造使用維護(hù)”全壽命期數(shù)字化理論體系與系統(tǒng)框架，建立地下結(jié)構(gòu)健康服役相關(guān)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和元數(shù)據(jù)，研究海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的綜合集成和索引方法、軌道交通健康服役一體化時空建模方法、可視化綜合分析及動態(tài)管理方法，解決城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康服役中全壽命期數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化等關(guān)鍵問題。（2）地下結(jié)構(gòu)健康服役智能服務(wù)機制從系統(tǒng)學(xué)的角度出發(fā)，對材料性能、結(jié)構(gòu)性能、智慧、健康評估、智能修復(fù)加固進(jìn)行有機融合，研究城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康服役智能服務(wù)機制，包括智能服務(wù)模型、服務(wù)規(guī)范和服務(wù)評估方法，探索智能服務(wù)框架和體系結(jié)構(gòu)，為構(gòu)建復(fù)雜環(huán)境條件下大規(guī)模城市軌道

48、交通網(wǎng)絡(luò)健康服役的數(shù)字化保障體系提供理論與方法基礎(chǔ)。（3）地下結(jié)構(gòu)健康服役數(shù)字化保障與控制方法針對新一代的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，融合網(wǎng)格技術(shù)、WebGIS和增強現(xiàn)實等技術(shù)，將與結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)與空間信息服務(wù)、結(jié)構(gòu)性能評估與預(yù)知、數(shù)字?jǐn)?shù)值一體化分析、真實與虛擬結(jié)構(gòu)信息可視化展示、服役性能智能分析與決策進(jìn)行集成，為構(gòu)建城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康服役提供數(shù)字化支撐體系，及時準(zhǔn)確地得到結(jié)構(gòu)服役性能現(xiàn)狀并提供主動控制措施。（4）地下結(jié)構(gòu)健康服役應(yīng)用示范研究健康服役智能服務(wù)機制和數(shù)字化保障體系在城市軌道交通中的信息采集、分析與處理、性能預(yù)知與輔助決策等方面的應(yīng)用機制，構(gòu)建面向大規(guī)模城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)健康服役相對完整的

49、應(yīng)用示范系統(tǒng)，驗證城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康服役智能服務(wù)機制、全壽命期數(shù)字化理論與方法、以及數(shù)字化保障體系的有效性。課題承擔(dān)單位：同濟大學(xué)、上海申通地鐵集團(tuán)有限公司課題負(fù)責(zé)人：朱合華學(xué)術(shù)骨干：白廷輝，王丹生，李曉軍，畢湘利經(jīng)費比例：19%四、年度計劃研究內(nèi)容預(yù)期目標(biāo)第一年（1）資料收集、調(diào)研，制定項目總體規(guī)劃；（2）針對各課題的研究需求，開展并完成實驗系統(tǒng)的建立；（3）研究地下結(jié)構(gòu)材料在建設(shè)期性能形成過程中的多尺度特征和動態(tài)時變行為，分析影響地下結(jié)構(gòu)材料性能的物理化學(xué)力學(xué)要素，探求結(jié)構(gòu)材料性能形成的規(guī)律和機理；（4）探尋預(yù)測結(jié)構(gòu)材料的微細(xì)宏觀性能模型和精細(xì)分析結(jié)構(gòu)材料物理和力學(xué)行為的計算方法；（

50、5）進(jìn)行城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)賦存環(huán)境、服役期存在的結(jié)構(gòu)損傷、施工缺陷及結(jié)構(gòu)病害類型與特征的現(xiàn)場調(diào)查分析；（6）進(jìn)行交通循環(huán)荷載及賦存環(huán)境下城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)受力與變形等基本特性的計算分析；（7）改進(jìn)損傷識別和定位算法，提高識別和確定結(jié)構(gòu)損傷位置的精度，建立對地下結(jié)構(gòu)混凝土初始損傷與缺陷的發(fā)現(xiàn)感知模型。（8）探討多種病害交互作用對地下結(jié)構(gòu)的復(fù)合影響，建立完備的城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康評估指標(biāo)集，提出地下結(jié)構(gòu)病害指標(biāo)的定量化評價基準(zhǔn)；（9）研究地下水環(huán)境下具有初始損傷和施工缺陷結(jié)構(gòu)的電化學(xué)沉積/礦物修復(fù)方法；（10）研究地下環(huán)境下加固材料的長期力學(xué)行為和地下結(jié)構(gòu)的主動加固理論；（11）研究城市軌

51、道交通地下結(jié)構(gòu)“建造-使用-維護(hù)”中海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的綜合集成和索引方法、可視化綜合分析及動態(tài)管理方法；（12）針對新一代的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，研究基于WebGIS的城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)數(shù)字化支撐體系。（1）建立地下混凝土結(jié)構(gòu)材料早期性能與微觀結(jié)構(gòu)本構(gòu)模型；（2）構(gòu)建地下結(jié)構(gòu)材料早期多尺度本構(gòu)模型和早期持荷對結(jié)構(gòu)服役性能影響的分析模型；（3）提出城市軌道交通中現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)及預(yù)制構(gòu)件施工質(zhì)量的保障措施；（4）建立適應(yīng)軌道交通復(fù)雜服役環(huán)境下的地下結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)部狀態(tài)的實時、無損、在線智能感知模型。（5）建立地下結(jié)構(gòu)健康診斷的指標(biāo)體系和診斷基準(zhǔn)；（6）提出地下結(jié)構(gòu)相鄰管片之間的主動加固方法；（7）建立城市軌道

52、交通地下結(jié)構(gòu)全壽命期數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)；（8）發(fā)表論文30篇，其中SCI論文20篇，培養(yǎng)博士研究生10名，碩士研究生16名。第二年（1）研究復(fù)雜物理化學(xué)力學(xué)環(huán)境下結(jié)構(gòu)材料性能的退化機理；（2）土體介質(zhì)、地下水、環(huán)境溫度等單因素、多因素作用下城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)性能演化的相關(guān)試驗研究；（3）智能感知在超長線狀地下結(jié)構(gòu)服役環(huán)境下的適應(yīng)要求及特點分析研究；（4）溫濕度、加速度、裂縫開展度、變形量、滲漏量等物理量指標(biāo)的狀態(tài)感知方式及試驗研究；（5）微電子機械系統(tǒng)（MEMS）智慧終端的實現(xiàn)方法，感知信息顆粒度、精度、信息維度等關(guān)鍵參數(shù)的確定研究；（6）考慮服役條件和服役信息不確定性的地下結(jié)構(gòu)健康系統(tǒng)診斷原理和綜合

53、性診斷方法研究；（7）地下結(jié)構(gòu)服役性能的健康診斷物理經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃汀皸l件評估”理論研究；（8）地下結(jié)構(gòu)智能自修復(fù)介質(zhì)載體或介質(zhì)的物理幾何特征及分布研究；（9）地下水環(huán)境下電化學(xué)沉積/礦物自愈合修復(fù)結(jié)構(gòu)的性能參數(shù)演化規(guī)律研究；（10）地下結(jié)構(gòu)相鄰管片之間短期主動加固與長期被動加固的協(xié)調(diào)機制研究；（11）軌道交通健康服役全壽命期一體化時空建模方法研究；（12）軌道交通地下結(jié)構(gòu)數(shù)字?jǐn)?shù)值一體化分析方法研究；（13）基于增強現(xiàn)實技術(shù)的軌道交通地下結(jié)構(gòu)可視化方法研究。（1）探明動態(tài)服役環(huán)境中地下結(jié)構(gòu)材料服役性能的演變機理；（2）建立物理化學(xué)力學(xué)因素的耦合效應(yīng)的理論模型；（3）實現(xiàn)超長線狀環(huán)境下感知結(jié)構(gòu)性能參數(shù)

54、空間在感知系統(tǒng)上的有效映射，建立地下結(jié)構(gòu)的智慧感知方法及感知理論；（4）提出地下結(jié)構(gòu)健康的系統(tǒng)診斷原理和綜合性診斷方法，建立地下結(jié)構(gòu)健康的系統(tǒng)診斷理論；（5）初步提出針對性的地下水環(huán)境下智能自修復(fù)和電化學(xué)沉積/礦物自愈合修復(fù)方法；（6）初步提出地下結(jié)構(gòu)整體變形的主動加固方法；（7）初步形成城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)全壽命數(shù)字化理論體系；（8）發(fā)表論文40篇，其中SCI論文32篇，培養(yǎng)博士研究生10名，碩士研究生16名。第三年（1）地下水沿迎土面向結(jié)構(gòu)滲流的機制和環(huán)境介質(zhì)中離子隨水分的遷移過程研究；（2）地下結(jié)構(gòu)臨空面干濕交替邊界的擴散機理研究；（3）固液氣耦合下全壽命期地下結(jié)構(gòu)材料性能演變機理研究；（4）軌道交通地下結(jié)構(gòu)在地下水作用下的損傷演化特性研究；（5）軌道交通地下結(jié)構(gòu)在交通循環(huán)荷載作用下的動力累積損傷特性研究；（6）適合地下混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷、開裂及破壞過程模擬的計算新理論；研究從微觀裂紋到宏觀裂縫的生成理論、擴展追蹤和接觸摩擦算法研究；（7）傳感元件及智能傳感器平臺的設(shè)備選型研究；（8）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)感知中的特點以及適