船舶与海洋工程结构物疲劳断裂分析研究现状及展望

第一篇：船舶与海洋工程结构物疲劳断裂分析研究现状及展望

船舶与海洋工程结构的疲劳及断裂分析研究现状与展望

摘要：由船海工程的发展趋势，进而引出疲劳裂纹分析在船海工程中；简述了疲劳分析以及断裂力学的研究现状以及存在的一些问题，浅谈对将来发展趋势的一些看法；然后过渡到当前的研究方法，即主要为数值计算方法；对当前数值计算的具体方法进行了概括，并浅谈发展趋势；列举了两个具体例子，即断裂力学原理在疲劳分析中的应用。关键词：船舶与海洋工程；疲劳分析；断裂力学；数值计算

1.引言

海洋产业作为未来世界经济的支柱产业之一，发展潜力非常巨大，世界海洋产业总产值逐年大幅上升。其中，随着能源问题的日益突出，海洋油气开发将是海洋工程最主要的应用领域。并且，在发展船舶与海洋工程的同时，由于其技术关联度大，技术含量高，可带动相关行业的科技进步和产业发展。因此，船海工程有相当广阔的发展前景。

当前，船舶与海洋工程发展趋势主要表现在以下方面。其一，船舶发展趋势是大型化、高速化。技术性能的不断提升促进了船舶运载能力和航速的大幅提高，由此船舶经济性、安全性、环保性明显提高。其二，设计方法不断进步，现代造船模式取代传统造船模式，建造技术装备也在不断发展。其三，海洋工程装备深水化。国外从事海洋工程开发已有一百多年的历史，积累了丰富的经验。发达国家研究的一些深海探测器可达水深已超过万米。

船海工程蓬勃发展，船海结构物发生事故的几率也大大增加。大型远洋船舶发生海损事故已是屡见不鲜。海洋环境复杂多变，海浪、大风、潮流、冰雪、海水腐蚀、地震、微生物、碰撞事故等，都会对海洋平台等结构物造成极大的破坏。更重要的是，船海工程结构物主要采用焊接工艺，由于焊接工艺的特点，焊缝本身不可避免地存在各种缺陷。在各种交变载荷的作用下，这些应力集中区更有可能发生疲劳破坏，造成灾难性的事故。因此，疲劳断裂分析的理论及应用领域和形式的发展就显得非常关键。

2.疲劳分析发展现状

2.1 基本概念 载荷值随时间作周期性或非周期性变化的载荷成为交变载荷，由于载荷的变化使试件或构件的材料内产生随时间变化的交变应力与交变应变。经足够的应力或应变循环作用后，损伤累计可使试件或结构材料产生裂纹，直至疲劳破坏。试件抵抗疲劳失效的能力成为材料的疲劳强度；结构抵抗疲劳失效的能力成为结构的疲劳强度。

疲劳失效有以下特征：疲劳破坏是一个累积损伤的过程，其失效过程都经历裂纹萌生、扩展和瞬时断裂三个阶段。不论构件是脆性材料还是塑性材料，疲劳破坏在宏观上常表现为无明显塑性变形的突然断裂，断口为脆性断口。疲劳断口可以看到明显的裂纹源、裂纹扩展区（光滑断面）和瞬时断裂区（粗糙断面）。

在工程中应用的疲劳分析方法可以分为三大类：S-N曲线法、断裂力学方法以及可靠性分析方法。

2.2 S-N曲线法、断裂力学方法

经典的疲劳分析方法基于S-N曲线和Palmgren-Miner线性累积损伤准则，用循环应力范围或塑性应变范围或总应变范围来描述疲劳破坏寿命。与S-N曲线法不同，疲劳分析的断裂力学方法以“损伤容限”原理作为设计基础。这个基本前提是认为损伤为一切工程构件所固有。疲劳寿命则定义为主裂纹从原始尺寸扩展到某一临界尺寸所需的疲劳循环次数或时间。采用断裂力学方法时，需要应用断裂力学的裂纹扩展经验规律。自从具有里程碑意义的PARIS公式提出之后，基于裂纹扩展规律的疲劳分析理论得到了长足的发展。

这两种方法各有优缺点。S-N曲线法可以避免裂纹尖端复杂应力场的分析，断裂力学方法则可更好的反映尺度效应以及可以对一个已有的裂纹提供一个更精确的剩余寿命估算方法。S-N曲线法和断裂力学方法在工程中得到了广泛的应用，成为两种相互补充的基本方法。2.3 可靠性分析方法

以上这两种方法都是在确定意义上使用的，在分析过程中，有关的参量的都认为是有确定数值。而实际上，工程中涉及到疲劳的有关因素都是随机的。比如，载荷、材料的随机性等。为此，可靠性方法开始被用来进行寿命评估。在该理论中，影响结构疲劳寿命的不确定因素都用随机变量或者随机过程来描述。一个结构的的疲劳寿命合格与否，用服役期内不发生疲劳破坏的概率来衡量。对于受大量不确定因素影响的工程结构的疲劳问题，用结构疲劳可靠性理论来加以研究是非常适当的。

虽然疲劳可靠性方法从理论上是最完善的，可以更合理的描述实际结构中的各种不确定因素，等价符合客观事实。但在工程实践中，由于缺乏充分的统计数据资料，使得可靠性分析中最关键的概率模型的建立也存在很大的分散性，这成为阻碍可靠性分析在工程实际中推广的重要原因。

因而目前常用的海洋工程疲劳强度分析还是主要采用操作起来简单的S-N曲线法，并结合断裂力学方法。

3.断裂力学的研究现状及发展

3.1 断裂力学的产生

长期以来，工程上对结构或构件的计算方法，是以结构力学和材料力学为基础的。通常都假定材料是均匀的连续体，没有考虑客观存在的裂纹和缺陷，计算时只要工作应力不超过许用应力，就认为结构是安全的，反之就是不安全的。安全系数并未考虑到其他失效形式的可能性，例如脆性断裂或快速断裂。普遍认为，选用较高的安全系数就能避免这种低应力断裂。然而，实践证明材料存在缺陷或裂纹的结构或构件，在应力值远低于设计应力的情况下就会发生全面失效。人们逐渐意识到，对含有裂纹的物体必须作进一步的研究。断裂力学就是在这个基础上产生的。

断裂力学从宏观的连续介质力学角度出发，研究含缺陷或者裂纹的物体在外界条件作用下宏观裂纹的扩展、失稳开裂、传播和止裂规律。断裂力学的研究方法是：从弹性力学方程或弹塑性力学方程出发，把裂纹作为一种边界条件，考察裂纹顶端的应力场、应变场和位移场，设法建立这些场与控制断裂的物理参量的关系和裂纹尖端附近的局部断裂条件。

经典断裂力学的三个主要分支是：线弹性断裂力学、弹塑性断裂力学、断裂动力学。

3.2 线弹性断裂力学

Griffith通过研究，提出裂纹扩展的能量准则。能量理论将裂纹失稳扩展的临界条件表示为GI=GIc（GI微应变能释放率），即脆性断裂的G准则。GIc是材料常数，表征材料对裂纹扩展的抵抗能力，由试验确定。G．R．Irwin用弹性力学理论分析了裂纹尖端应力应变场后提出了三种类型裂纹（张开型、滑移型、撕裂型）尖端的应力场与位移场公式。公式中定义了一个包含一个应力强度因子K，对应三种裂纹分别为KⅠ、KⅡ、KⅢ。在线弹性断裂力学中，它是很重要的力学量，用来判断裂纹是否将进入失稳状态的一个指标。以应力强度因子表示的裂纹失稳扩展临界条件为：K=KIC ,称为K准则。KIC为裂纹临界状态下的应力强度因子，称为断裂韧度，也表示材料对于断裂的抵抗能力。

在弹性条件下，GICK准则是等效的。3.3 弹塑性断裂力学

由于裂纹尖端应力高度集中，在裂纹尖端附近必然首先屈服形成塑性区域。对于中、低强度钢的中小型结构件，薄壁结构，焊接结构的拐角和压力容器的接管处，在裂纹尖端附近，发生大范围屈服或全面屈服。这时，线弹性断裂力学的结论不再适用。由此研究大范围屈服断裂已成为发展弹塑性断裂力学的迫切任务。

Wells在大量实验的基础上，提出了弹塑性条件的断裂准则，COD准则：当裂纹尖端张开位移达到临界值C时，裂纹将开裂，即=C时，裂纹开裂。COD即裂纹受载后，在原裂纹尖端垂直裂纹方向上所产生的位移（Crack Opening Displacement）。C是材料弹塑性断裂韧性指标，为材料参数。

1968年，Rice提出了J积分理论。以J积分为常数并建立断裂准则。J积分是围绕裂纹尖端作闭合曲线的积分。J积分与裂纹扩展力GI的物理意义相同，进而建立J准则：当围绕裂纹尖端的J积分达到临界值JC时，即J=JC时，裂纹开始扩展。

COD准则应用到焊接结构和压力容器的断裂安全分析上非常有效，而且应用时比较简单，因而工程上应用较为普遍。J积分准则理论根据严格，定义明确，但在计算和实验上比较复杂。

弹塑性断裂力学的重要成就是HRR解。硬化材料I型裂纹尖端应力应变场的弹塑性分析是由Hutchinson，Rice，Rosengren解决的。它建立了塑性应力强

K2IC，因此对于线弹性断裂力学问题，采用G准则和

E度因子与J积分的定量关系，表明J积分可以作为描述硬化材料中裂纹尖端应力应变场强度的参量。HRR理论是J积分作为断裂力学判据的理论基础。3.4 断裂动力学

70年代，Sih与Loeber导出了外载随时间变化而裂纹是稳定情况的渐进应力场与位移场。Rice等多人先后导出了裂纹以等速传播情况的渐进应力场与位移场，并提出了裂纹稳定而外载随时间迅速变化情况下的裂纹开裂准则。3.5 断裂力学理论存在的一些问题及展望

经典断裂力学是建立在奇异性基础上的，即均基于裂纹顶端应力与应变为无限大的模式展开的。奇异性理论一直延续至今。但是奇异性断裂力学在物理上存在本质的缺陷。实际发现的裂纹，裂纹顶端曲率半径为有限值，裂纹顶端的应力应变也为有限值。这样，基于数学尖端裂纹和应力奇异性的物理量缺乏坚实的物理基础。为了完善理论，可采用比较符合实际的半圆形顶端的钝裂纹，而这又需要金相断裂力学的发展。

由于断裂力学能对材料和结构的安全性进行预测与估算，因而愈来愈受到重视。目前，线弹性断裂力学发展较为成熟，在工程实际中已经得到应用。弹塑性断裂力学虽然取得了一些进展，但仍有许多尚待深入研究的问题，它是当前断裂力学主要研究方向之一。断裂动力学，对于线性材料还有待完善，对于非线性材料，尚处于研究初期，也是断裂力学的主要研究方向。

4.当前的研究方法

在疲劳断裂分析的研究中，最主要的三大研究方法就是：理论、试验和数值计算。但是，只有极少数简单、特殊的断裂力学问题存在解析解，而试验方法操作起来比较麻烦，而且经济性不佳，因此绝大多数工程问题都借助数值计算的方法来进行研究。随着研究的日益深入，需要求解的问题日趋复杂化和多样化。使得如何建立高效、高精度的计算方法成为学者们研究的热点。由于计算机科学、计算数学和力学等学科的不断发展，用于解决疲劳断裂问题的数值计算方法不断涌现，它们正成为推动疲劳分析和断裂力学发展的有力工具。4.1 有限元法

普遍认为，有限元法的出现是计算力学诞生的标志。有限元法是建立在传统的Ritz法的基础上，利用变分原理导出代数方程组求解。它将连续介质离散成有限个单元来进行数值计算。有限元法实现了统一的计算模型、离散方法、数值求解和程序化设计方法，从而能广泛地适应求解复杂结构的力学问题。有限元法从诞生至今得到了迅猛的发展，成为用于结构和固体力学问题的首选方法。

当前断裂力学用有限元法取得了极大的研究进展。比如，采用自适应有限元法确定裂纹尖端的塑性区，在有限元法的基础上建立随机分析，用于动态问题的空-时有限元法等等。4.2 其他数值计算方法

由于有限元法同时也存在缺陷，比如随着计算精度要求的提高，有限元网格的划分将十分困难，计算量也会十分庞大。因此，学者们在研究过程中又逐渐创立了其他数值计算方法。主要有：边界元法、无网格法、数值流形方法、小波数值法等，此外还有位移不连续法、超奇异积分方程法、加权残数法、有限差分法扩展有限元法等，都取得了进展。4.3 数值计算方法的发展趋势

（1）并行数值计算方法。该方法是在工程计算规模大幅增加与计算机能力受到限制的矛盾日益突出的情况下产生的。

（2）解析法与数值法相结合。解析法与数值法相互结合、相互渗透将为研究提供一系列高效算法。

（3）多种计算方法有机结合。结构的形式很少是单一的，多种方法的耦合将会提高运算精度以及运算速度。

（4）数据处理自动化。为了提高效率，自适应有限元法和网格的自动划分与技术更新仍将是有限元研究中的一个热点。

（5）耦合场中的数值计算在一些领域也将越来越重要。

5.工程中的应用实例

5.1 海洋平台管节点疲劳性能研究

笔者正在完成的毕业设计的题目是：“导管架式海洋平台管节点疲劳强度分析”。以下是我在学习过程中遇到的一个实例，用断裂力学方法来求解管节点的疲劳寿命。

1.基本原则

从Paris公式

da/dN=cK

出发，则 Np=m1da 式中，c、m

a0c(K)maf为材料常数，由材料、焊接构件及管节点试验综合分析给出，建议：c=4.76410-12，m=3.152；K=YHa

式中，Y为管节点形状因子，由管节点试验和有限元计算给出。Y=Aa/T

B2.基型管节点形状因子

基型管节点形状因子Y0由基型管节点试验及有限元计算分析给出。不同载荷下形状因子为

轴向载荷：

Y00.49(a/T)0.38 面内弯曲载荷： Y00.56(a/T)0.41 面外弯曲载荷： Y00.52(a/T)0.40 基型管节点形状因子Y0见图

基型管节点形状因子Y0

3.修正因子M（1）厚度修正因子Mt 在裂纹扩展阶段，厚度修正因子为 Mt=（T/T0）0.25（2）焊缝修正因子Mw 焊缝局部应力集中对裂纹萌生影响很大，对裂纹扩展速率也有明显影响，必须考虑其对形状因子的修正。焊缝修正因子为

Mw=KL/KLO（3）应力分布修正因子M

应力分布不均匀性由几何参数决定，其修正因子为

（4）海水自由腐蚀修正因子 MH

海水腐蚀对管节点裂纹扩展速率影响同应力水平有关，海水自由腐蚀因子为 MH=H/S0.200.42

MSCF0/SCF0.167

0.125（5）阴极防护修正因子 MFH/S4.管节点形状因子

建立在基型管节点形状因子Y0修正的基础上，管节点形状因子为

YMFMHMMwMtY0MY0

BYMAa/T

为验证修正可靠性，把修正结果同试验结构相对比。自由腐蚀，在H192MPa下

修正法：

Y0.651(a/T)0.38

试验法：

Y0.684(a/T)0.39 阴极防护：在H192MPa下

修正法：

Y0.586(a/T)0.38

试验法：

Y0.588(a/T)0.377

可以看出修正结果同试验结果相一致，因此修正方案可靠。5.计算公式 由Paris公式

Np=a0afaf11＝daa0cMYac(K)m0Hmda

式中，a0取1.5mm，af取T。5．2 海洋平台结构的安全寿命评估与维修决策

此部分内容来源于黄小平、崔维成、王庆丰所著《海洋平台结构的安全寿命评估与维修决策研究》。

海洋平台结构复杂，造价昂贵，一旦发生事故会造成不可估量的经济损失。因此保证安全性以及延长其服役期就显得至关重要。以上学着提出地基于疲劳断裂力学控制的评估方法适合于任何类型、处于任意使用阶段的结构安全寿命评估。其显著特点是可以方便地通过检测对评估结果进行验证，该特点可显著提高预报结果地可靠性和可信性。

该法克服了传统地安全寿命法的不足，不需要对平台结构过去的受载历史进行了解，只需知道目前平台结构的受损程度，以及今后平台受载情况，即可对海洋平台进行安全评估和断裂控制，并进一步计算其疲劳寿命。

海洋平台安全寿命评估及检修决策图 其原理详见该论文。

6． 总结与展望

本文介绍了船海工程的发展趋势，进而引出疲劳裂纹分析在船海工程中的应用。接下来简述了疲劳分析以及断裂力学的研究现状以及存在的一些问题，然后浅谈了对将来发展趋势的一些看法。然后过渡到当前的研究方法，即主要为数值计算方法。对当前数值计算的具体方法进行了概括，并浅谈发展趋势。在这之后，列举了两个具体例子，即断裂力学原理在疲劳分析中的应用，这也是疲劳分析的一个正在发展的重要方法。

最后，对船海工程疲劳断裂分析再次进行一下展望。第一部分已经提到过，由于船海工程加工工艺的特点，即焊接工艺的特点，疲劳断裂在船海工程中的应用将会有广阔的天地。理论的发展和应用离不开工程实际的需要，随着船海工程的发展需要，也必将促使学者们不断研究提出新理论，完善经典理论，并借助计算机科学的发展，大幅度提高数值计算的精度和效率。

参考文献：

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第二篇：飞机结构疲劳与断裂分析发展综述

飞机结构疲劳与断裂分析发展综述

通过这学期对航空航天博览课的学习和老师耐心的讲解,我对飞机结构有了进一步的了解。由于本学期还学习了材料力学，所以对于飞机结构疲劳强度与断裂分析发展现状与发展趋势做了进一步的了解与探讨.由于领空权对于任何一个国家都是非常重要的,飞机的先进性,是领空权的保证.飞机更是国家的国防的重要力量,提高飞机的性能更是每个军事大国追求的目标.飞机的结构抗疲劳强度与断裂强度是飞机性能的重要体现，所以对于飞机结构疲劳与断裂分析进行探讨和研究是非常有必要的.疲劳强度是指飞机结果在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。实际上，飞机结构并不可能作无限多次交变载荷试验。

断裂是指飞机结构被断错或发生裂开.讨论的主要是脆性断裂情况，其断裂面是看得见摸得着的。还有两类断裂的断裂面则是看得见却不一定摸得着的。

飞机结构在实际使用中，要不断承受交变载荷的作用。但是，早期设计给及只是从静强度上考虑，只要通过计算和试验证明飞机结构能够承受得住设计载荷（实际使用中所出现的最大载荷乘以安全系数），就认为飞机结构具有足够的强度。由于飞机结构承受交变载荷的作用，某些构建常常出现疲劳性能也较好。因此，飞机结构的疲劳问题并不突出，疲劳强度问题没有引起足够的重视。直到50年代前

期，世界各国的飞机强度规范中对疲劳强度都还没有具体要求，不要求进行全尺寸结构疲劳试验。但是，随着航空事业的不断发展，飞机的性能不断提高，适用寿命延长，新结构、新材料不断出现，飞机结构在使用中疲劳破坏与安全可靠之间的矛盾逐渐显露出来了。

断裂是指飞机结构被断错或发生裂开.讨论的主要是脆性断裂情况，其断裂面是看得见摸得着的。还有两类断裂的断裂面则是看得见却不一定摸得着的。

许多飞机结果，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。在交变应力的作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后会产生裂纹或突然发生完全断裂。

疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计，在飞机结构失效中大约有80%以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏经常造成重大事故，所以对于轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等承受交变载荷的零件要选择疲劳强度较好的材料来制造。

疲劳失效是金属材料常见的失效形式,特别是轴类,连杆,轴承类等零件,长期在应力下工作的工件材料都要求较高的疲劳强度,这样的可以提高零件的使用寿命。疲劳强度同时还与硬度、强度、韧性有较大关系，所以他是金属材料的重要力学性能指标。

疲劳强度是材料能够承受无数次应力循环时的最大应力。疲劳强度关系到零件的寿命以及零件工作时能够承受的最大应力，这对零件的安全设计有重大意义。

例如:在齿轮设计中，当接触疲劳强度不满足要求时，假定不再更换材料的前提下，可以用如下方法进行弥补：

1、增加齿轮的齿宽（增加轮齿的接触面积）

2、轮齿进行高频淬火（或中频淬火）、渗碳、渗氮（提高轮齿的表面硬度）

3、磨齿（降低齿轮运行中因为接触强度不足而致使齿面发生胶合、斑蚀的危险性能）

50年代以前，在飞机结构疲劳寿命问题没有引起足够的重视。那事，飞机机构是单纯采用静强度设计准则与刚度设计准则进行设计的。

从50年代开始，基于以往的经验教训个科学技术的进步，以及给及使用要求的不断提高，在飞机安全和寿命 的设计思想上发生了很大的变化。50年代中期，逐渐发展起以安全寿命为设计准则的设计和评估思想。这是给及结构设计思想上的一次重大变革。

但是，安全寿命设计思想是以结构件无初始损伤的假设为基础的。显然，这是理想化的情况。事实上，结构件可能存在这样或那样出事缺陷。因此，安全寿命设计思想并不能保证飞机安全可靠。于是，在1960年提出了破损安全设计概念。从60年代初期到70年代初期，飞机结构设计采用破损安全与安全寿命相结合的设计思想，这种设计

思想可以在这个时期的国外民用机设计规范中看到。这种破损安全与安全寿命相结合的设计思想，这带有一定的局限性，远不足以解决安全和寿命问题。

随着断裂力学和其他科学的发展，出现了损伤容限和耐久性设计。1969年美国空军开始规定催飞机结构采用损伤容限和耐久性设计。1978年美国联邦航空局（FAA）规定在民用机上采用损伤容限和耐久性设计来代替原来的破损安全与安全寿命设计。损伤容限和耐久性设计思想的核心是：承认结构件中存在初始缺陷的可能性，控制损伤的扩展。从而，使飞机结构在规定期内具有规范要求的抗破坏能力和经济耐用的品质。损伤容限设计和耐久性设计更是一次变革性质的设计思想发展。

航空工业作为技术密集、知识密集的高技术产业，集材料、机械、发动机、空气动力、电子、超密集加工、特种工艺等各种前沿技术之大成。目前，国际航空技术发达国家早已实施损伤容限耐久性规范，并成为国际适航性条例要求。然而，在飞机结构的三维损伤容限耐久性预测设计方面，由于研究队伍严重萎缩，国际上的实质性进展非常缓慢，三维损伤容限耐久性技术的发展停滞不前。与此同时，现代飞机大量使用三维整体结构，已有技术与需求的矛盾更加突出。

这一现状的存在，使得国内外的设计者们在已有技术基础上不得不依靠更加实际、但耗资巨大的全机试验和各级全尺寸部件试验来检验飞机结构的损伤容限和耐久性，虚拟试验的科学基础欠缺。近年随着计算机容量逐渐满足三维断裂分析的需要，国际上三维试验和数值

研究骤增，多尺度研究骤增，虚拟试验的概念形成并得以应用。有影响和代表水平的工作主要出自美国NASA以Newman为主的研究组、英国Sheffield大学Code公司及其研究组、法国宇航院(ONERA)、瑞典航空研究实验室(FOI，德文首字)研究组，荷兰国防动力研究实验室、澳大利亚国防科技组织(DSTO)等[5-8]。但是其损伤容限耐久性技术依据的理论基础仍然是二维疲劳断裂理论，未取得本质上的突破，考虑三维约束的疲劳寿命分析模型也都是建立在大量经验参数基础上的。近年，我国某飞机设计行业以及相关单位已成功实现全数字化设计、制造，一些重点型号工程在设计阶段就已全面实施损伤容限与耐久性规范，开展了大量全尺寸静力、疲劳/耐久性和损伤容限试验，建立起宝贵的经验和高素质的队伍以及组织管理体系。然而，基于试验来保证性能的经验设计方法存在明显的局限：全尺寸试验之前主要是经验估计，如各种安全系数法，对经验积累依赖严重，不利创新发展；试验或一定要设法满足设计要求，否则发现问题后更改设计困难，代价很高；全尺寸试验只能检验最薄弱环节，不能真实考核整体结构的设计水平，尤其是优化程度；全机试验只能检验一种工况（如标准载荷谱、实验室环境和周期、抽取的单一的制造质量样本等，代价高昂但实际效果远不是人们认为的那么一锤定音式的决定一切。因此，发展基于三维损伤容限与耐久性科学基础的预测设计技术已变得十分必要和迫切。破飞机结构三维损伤容限和耐久性核心技术可望取得的突

发展基于先进的三维疲劳断裂理论和自主知识产权的三维损伤容限和耐久性关键技术，解决从材料性能到三维复杂结构性能的跨越。下面我将对几种材料进行了解。首先说到陶瓷，人们很自然想到它的特点就是脆性。十几年前，如果把它用于工程领域的承力件，是任何人都不可能接受的，直到现在说到陶瓷复合材料，也可能还会有些人不清楚，认为陶瓷和金属原本就是两种不相关的基本材料，但是自从人们巧妙地将陶瓷和金属结合后，才使人们对这种材料的概念发生了根本的变化，这就是陶瓷基复合材料。

陶瓷基复合材料在航空工业领域是一种非常有发展前途的新型结构材料，特别是在航空发动机制造应用中，越来越显示出它的独到之处。陶瓷基复合材料除了具有重量轻，硬度高的优点以外，还具有优异的耐高温和高温抗腐蚀性能。目前陶瓷基复合材料在承受高温方面已经超过了金属耐热材料，并具有很好的力学性能和化学稳定性，是高性能涡轮发动机高温区理想的极好材料。

目前世界各国针对下一代先进发动机对材料的要求，正集中研究氮化硅和碳化硅增强陶瓷材料，并取得了较大进展，有的已开始应用在现代航空发动机中。例如美国验证机的F120型发动机，它的高压涡轮密封装置，燃烧室的部分高温零件，均采用了陶瓷材料。法国的M88-2型发动机的燃烧室和喷管等也都采用了陶瓷基复合材料。据专家估计，到2000年陶瓷材料将占高性能涡轮发动机重量的30％。

金属间化合物

高性能、高推重比航空发动机的研制，促进了金属间化合物的开发与应用。如今金属间化合物已经发展成为多种多样的族，它们一般都是由二元三元或多元素金属元素组成的化合物。金属间化合物在高温结构应用方面具有巨大的潜力，它具有高的使用温度以及比强度、导热率，尤其是在高温状态下，还具有很好的抗氧化，搞腐蚀性和高的蠕变强度。另外由于金属间化合物是处于高温合金与陶瓷材料之间的一种新材料，它填补了这两种材料之间的空档，因而成为航空发动机高温部件的理想材料之一。

目前在航空发动机结构中，致力于研究开发的主要是以钛铝（TiAl、）和镍铝（）等为重点的金属间化合物。这些钛铝化合物与钛的密度基本相同，但却有更高的使用温度。例如和 TiAl的使用温度分别为816℃和982℃。

金属间化合物原子间的结合力强，晶体结构复杂，造成了它的变形困难，在室温下显现出硬而脆的特点。目前经过多年的试验研究，一种具有高温强度和室温塑性与韧性的新型合金已经研制成功，并已装机使用，效果很好。例如美国的高性能F119型发动机的外涵机匣、涡轮盘都是采用的金属间化合物，验证机F120型发动机的压气机叶片和盘均采用了新的钛铝金属间化合物。

碳/碳复合材料

C/C基复合材料是近年来最受重视的一种更耐高温的新材料。到目前为止，只有C/C复合材料是被认为唯一可做为推重比20以上，发动机进口温度可达1930-2227℃涡轮转子叶片的后继材料，是美国21

世纪重点发展的耐高温材料，世界先进工业国家竭力追求的最高目标。

C/C基复合材料，即碳纤维增强碳基本复合材料，它把碳的难熔性与碳纤维的高强度及高刚性结合于一体，使其呈现出非脆性破坏。由于它具有重量轻、高强度，优越的热稳定性和极好的热传导性，是当今最理想的耐高温材料，特别是在1000-1300℃的高温环境下，它的强度不仅没有下降，反而有所提高。在1650℃以下时依然还保持着室温环境下的强度和风度。因此C/C基复合材料在宇航制造业中具有很大的发展前途。

C/C基复合材料在航空发动机上应用的主要问题是抗氧化性能较差，近几年美国通过采取一系列的工艺措施，使这一问题不断得到解决，逐步应用在新型发动机上。例如美国的F119发动机上的加力燃烧室的尾喷管，F100发动机的喷嘴及燃烧室喷管，F120验证机燃烧室的部分零件已采用C/C基复合材料制造。法国的M88-2发动机，幻影2000型发动机的加力燃烧室喷油杆、隔热屏、喷管等也都采用了C/C基复合材料。

飞机制造技术正沿着生产工艺依赖经验型向工艺模拟、仿真、实时监控、智能化制造方向发展；零件加工成形连接技术向增量成形、高速切削、高能束加工、精密成形等低应力、小变形、长寿命结构制造方向发展；从单个零件制造，向整体结构制造技术及近无余量制造技术发展；飞机制造技术从手工劳动、半机械化、机械化向数控化、柔性化、自动化技术方向发展；从一般铝合金结构的制造向以钛合金为代表的高性能轻合金结构、复合材料结构制造技术方向发展；向材料制备与构件成形同时制造发展；制造技术向信息化、数字化及设计/制造一体化方向发展，现代飞机制造技术正处在一个新的变革时代，它将为新一代飞机研制提供更先进的技术。

通过这学期对航空航天博览课的学习，我更加了解到飞机结构疲劳强度与断裂的未来发展的形势，对于材料的研究以及强度，刚度，稳定性方面的分析是非常重要的，所以我一直努力的学好材料力学。争取在这领域有所发展。

第三篇：大工13秋《船舶与海洋工程结构物建造工艺》在线测试1,2,3

大工13秋《船舶与海洋工程结构物建造工艺》在线测试1,2,3

大工13秋《船舶与海洋工程结构物建造工艺》在线作业2 试卷总分：100

测试时间：--单选题

多选题

判断题、单选题（共 5 道试题，共 30 分。）1.钢材矫正属于()。A.钢材预处理 B.构件边缘加工 C.构件成形加工 D.以上均不正确

满分：6分

2.钢材表面清理中的喷丸除锈属于()。A.手工除锈 B.机械除锈 C.化学除锈 D.火焰除锈

满分：6分

3.下列哪种胎架基面不平行于基线面，也不垂直于基线面，并且不垂直于肋骨剖面()。A.正切胎架 B.正斜切胎架 C.斜切胎架 D.斜斜切胎架

满分：6分

4.斜刃龙门剪床的剪板**片长为()。A.1.3-8.5cm B.1.5-8.3cm C.1.3-8.5m D.1.5-8.3m

满分：6分

5.以下哪一项不是总段造船法的建造特点()。A.船台装焊工作量少 B.减少船体焊接总变形 C.船台起重能力限制较大 D.适用于建造大型船舶

满分：6分

大工13秋《船舶与海洋工程结构物建造工艺》在线作业2 试卷总分：100

测试时间：--单选题

多选题

判断题、多选题（共 5 道试题，共 30 分。）1.以下哪些属于剪切工艺要求()。

A.根据构件尺度和边缘特征选择合适的剪切机床

B.排列多个构件时，应根据其排列情况预先确定剪切顺序 C.根据构件的厚度调整上下**片的间隙 D.根据构件厚度选择合适的割嘴

满分：6分

2.以下关于含碳量对**色金属燃点和熔点的影响说法正确的有()。A.**色金属的含碳量对其燃点和熔点的影响很大 B.铁碳合金随含碳量的增加，熔点升高、燃点降低 C.铁碳合金随含碳量的增加，熔点降低、燃点升高 D.含碳量达到0.7%时，铁碳合金的熔点与燃点相同

满分：6分

3.船体钢料预处理的工艺流程包含以下哪几项（）。A.矫正 B.除锈

C.焊接坡口加工 D.喷漆

满分：6分

4.将矫平后的钢板又将其加热的目的有()。A.去除钢板表面的水份

B.使氧化皮、锈斑疏松便于清除 C.可增强漆膜的附着性 D.以上均不正确

满分：6分

5.下列关于气割的工艺要求说法正确的有()。A.割前应根据构件厚度选择合适割嘴 B.大型构件的切割先从长边开始

C.同一张钢板上切割不同尺寸的构件时，先割小件，后割大件

D.同一张钢板上切割不同形状的构件时，先割复杂构件，后割简单构件

满分：6分

大工13秋《船舶与海洋工程结构物建造工艺》在线作业2 试卷总分：100

测试时间：--单选题 多选题

判断题、判断题（共 10 道试题，共 40 分。）

1.岛式建造法适用于建造船长超过100m的大型船舶。A.错误 B.正确

满分：4分

2.钢材预处理的目的是去除钢板表面的水份，并使氧化皮、锈斑疏松便于清除。A.错误 B.正确

满分：4分

3.平台可做设置胎架的基础。A.错误 B.正确

满分：4分

4.型钢平台既可以用于拼板和装焊平面分段，也可以作为胎架的基础。A.错误 B.正确

满分：4分

5.手工机械除污包括电动钢刷除污和旋转打磨除污。A.错误 B.正确

满分：4分

6.钢板的任何一种变形都是**为钢板的纤维组织长短不均所致。A.错误 B.正确

满分：4分

7.甲板分段装焊工艺中，一般采用专用胎架。A.错误 B.正确

满分：4分

8.乙炔气体是气割过程常用的燃气之一，其爆炸极限较窄。A.错误 B.正确

满分：4分

9.氧-乙炔切割是船体构件边缘加工中的化学切割法 A.错误 B.正确

满分：4分

10.一般来说，对于含碳量大于0.7%的钢，必须预热到700-1000摄氏度时才能进行气割。A.错误 B.正确

满分：4分

大工13秋《船舶与海洋工程结构物建造工艺》在线作业3 试卷总分：100

测试时间：--单选题

多选题

判断题、单选题（共 5 道试题，共 30 分。）

1.焊条对焊件像划火柴一样引燃电弧称为()。A.垂直引弧法 B.划动引弧法 C.以上均不对

满分：6分

2.当两板厚度差大于多少时，需将厚板边缘加工成斜边()。A.3mm B.4mm C.5mm D.6mm

满分：6分

3.对接接头中板厚尺寸范围约为()时可不开坡口，做卷边对接接头，中间不留间隙。A.大于3mm B.大于6mm C.小于3mm D.小于6mm

满分：6分

4.熔渣应有合适的熔点，一般药皮或焊剂的熔点应低于焊芯或焊丝的熔点多少摄氏度()。A.50-150 B.75-225 C.100-250 D.200-350

满分：6分

5.金属在室温下，由于氢的存在使钢的塑性、韧性显著下降，而强度影响较小的现象称之为()。A.氢脆 B.白点 C.气孔 D.冷裂纹

满分：6分

大工13秋《船舶与海洋工程结构物建造工艺》在线作业3 试卷总分：100

测试时间：--单选题

多选题

判断题、多选题（共 5 道试题，共 30 分。）1.焊条药皮的主要成分为()。A.矿物质 B.金属 C.有机物 D.化学制品

满分：6分

2.对一般的焊接结构来说，焊接接头一般考虑下列哪些**素()。A.硬度分布 B.力学性能 C.脆化倾向 D.断裂韧性 E.疲劳性能

满分：6分

3.以下关于平焊说法正确的是()。

A.重力、表面张力等均有利于熔滴过渡 B.熔渣与铁水配合好 C.焊缝形状易控制 D.焊接可选较粗焊条

满分：6分

4.下列哪些项属于对接接头的坡口形式()。A.不开坡口 B.V形坡口 C.X形坡口 D.U形坡口

满分：6分

5.低氢型碱性焊条采用直流反接产生的效果有()。A.焊接过程稳定 B.飞溅大 C.飞溅小

D.焊缝熔深大 E.焊缝熔深小

满分：6分

大工13秋《船舶与海洋工程结构物建造工艺》在线作业3 试卷总分：100

测试时间：--单选题

多选题

判断题、判断题（共 10 道试题，共 40 分。）

1.一般情况下，焊接电流增大，熔池的最大深度增大，熔池的宽度相对减小；焊接电压升高，最大熔深减小，最大熔宽增大。A.错误 B.正确

满分：4分

2.焊接是通过加热或加压，或两者并用，并辅以填充材料或不用填充材料而使焊件达到原子结合的一种加工方法 A.错误 B.正确

满分：4分

3.手工电弧焊中能否得到优质焊缝，很大程度上取决于焊工的焊接技术。A.错误 B.正确

满分：4分

4.立焊不是最有利的焊接位置，通常采用大直径焊条。A.错误 B.正确

满分：4分

5.一般来说，盐型熔渣氧化性较小，盐-氧化物熔渣氧化性较大。A.错误 B.正确

满分：4分

6.将药皮重量系数定义为药皮重量/焊芯重量。A.错误 B.正确

满分：4分

7.焊接热影响区的同一组织由于含碳量和合金元素含量的不同，硬度也不同。A.错误 B.正确

满分：4分

8.在焊接重要结构时，应在焊缝收尾处接出一块引出板也叫引弧板，焊后将其割去，保证收尾处的焊接质量 A.错误 B.正确

满分：4分

9.船板焊接时，所有的构件都可以采用双面焊。A.错误 B.正确

满分：4分

10.所有对接焊缝均应在其背面根部刨槽进行封底焊。A.错误 B.正确

满分：4分

大工13秋《船舶与海洋工程结构物建造工艺》在线作业1 试卷总分：100

测试时间：--单选题

多选题

判断题、单选题（共 5 道试题，共 30 分。）1.绘制船体理论型线的第一步为()。A.绘制及光顺外型线 B.绘制格子线 C.绘制横剖线

D.绘制水线和纵剖线

满分：6分

2.船体构件展开中用字母s来表示()。A.肋骨级数 B.肋骨间距 C.级数伸长 D.肋骨弯度

满分：6分

3.过上甲板中心线且垂直于设计水线面的平面应称之为()。A.中纵剖面 B.中横剖面 C.设计水线面 D.以上均不正确

满分：6分

4.船体手工放样的准备工作包含几项()。A.3 B.4 C.5 D.6

满分：6分

5.成组技术属于()。A.系统和区域导向 B.系统导向

C.区域、类型和阶段导向 D.以上均不正确

满分：6分

大工13秋《船舶与海洋工程结构物建造工艺》在线作业1 试卷总分：100

测试时间：--单选题

多选题

判断题、多选题（共 5 道试题，共 30 分。）1.船体放样的目的为()。A.光顺船体曲表面 B.消除隐匿的型线缺陷 C.为后续工序提供施工资料

D.补充设计图中尚未表达完整的内容

满分：6分

2.以下哪些属于常用梁拱曲线的类型()。A.抛物线 B.圆弧 C.折线 D.直线

满分：6分

3.以下关于十字线法说法正确的是()。A.属于垂直准线法 B.属于测底线法 C.属于撑线法 D.四边形展开 E.三角形展开

满分：6分

4.手工放样中的比例放样是船体放样常用方法，其比例通常选用()。A.1：5 B.1：10 C.1：50 D.1：100

满分：6分

5.以下关于外板接缝线的排列说法正确的是()。A.主要参照肋骨型线图和外板展开图进行 B.一般先排纵向接缝线，后排横向接缝线 C.一般先排横向接缝线，后排纵向接缝线

D.纵接缝线和纵向分段接缝线通常布置在1/4或3/4肋距处 E.横接缝线和横向分段接缝线通常布置在1/4或3/4肋距处

满分：6分

大工13秋《船舶与海洋工程结构物建造工艺》在线作业1 试卷总分：100

测试时间：--单选题

多选题

判断题、判断题（共 10 道试题，共 40 分。）1.详细设计为生产设计依据。A.错误 B.正确

满分：4分

2.准线法展开船体纵向构件的两种方法是垂直准线法展开纵向构件和测地线法展开船体外板

A.错误 B.正确

满分：4分

3.现代造船模式中，设计、工艺、管理三者分离。A.错误 B.正确

满分：4分

4.船体理论型线放样和肋骨型线放样均属于船体放样内容。A.错误 B.正确

满分：4分

5.比例放样的缺点在于增大放样台面积，增加放样工作劳动强度。A.错误 B.正确

满分：4分 6.现代pB.正确

满分：4分

第四篇：关于船舶与海洋工程结构极限强度的分析

关于船舶与海洋工程结构极限强度的分析

摘 要：在航运业的不断发展下，船舶的数量随之增多。海上发生的事故很多是因船舶搁浅造成的。当船舶发生事故后，其结构强度会受到影响，由此带来严重的后果。目前，我国对船舶与海洋工程结构极限强度的研究还不够，而结构极限强度是船舶与海洋工程结构理性设计中最后一个关键环节，需要进一步研究。

关键词：船舶；海洋工程；结构极限强度；结构损伤

中图分类号：U661.43 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.09.083

船舶与海洋工程结构极限强度的计算极其复杂，需要靠建立适当的船体模型来实现。通常采用对船体模块进行有限元分析的方法来计算，但这种计算方法在实际运用中存在一定的局限性。本文主要探讨了在船舶与海洋工程中结构强度方面需要注意的问题，以进一步分析极限强度，为海洋工程工作人员在这方面的研究提供帮助。结构极限强度计算方法

在船舶与海洋工程的结构理性设计中，结构极限强度的计算和分析是要求最高也最为复杂的环节。在实际中，通常利用对船体模型进行有限元分析的方法测量船体模型的构件屈曲和塑形变形等数据，从而得出比较精确的船体模型极限强度。然而，这种方法在实际运用中工作量很大，且成本很高，因此，推广程度不高。当前，一种叫作“逐步破坏法”的计算方法则较为常用。该方法不仅可以减少计算工作量，还可以提高极限强度计算结果的精确性。在船舶与海洋工程结构极限强度的计算上，逐步破坏法主要具有以下两方面的优点：①将用于结构极限强度计算与分析的船体模块向横向崩溃和纵向崩溃这两种独立的总崩溃模式转化；②通过限制相关尺寸，确保相邻的两个横向刚架纵向崩溃。逐步破坏法能够让船舶与海洋工程的船体模型横向刚架的临界分段在中垂或中拱过程中崩溃，将结构极限强度计算向船体某一分段极限纵强度计算简化，不仅能确保计算结果的精确性，还能大大减少计算工作量。极限强度的分析计算

在提出船体结构总纵极限强度的概念之后，对船体梁总纵极限强度分析有了越来越多的方法，主要有逐步破坏分析法、直接计算法和有限元法。

2.1 逐步破坏分析法

通过分析船体结构破坏机理，发现船体结构的整体破坏实际上是一个逐步破坏的过程。基于平断面假设，构件逐步破坏的增量曲率法，总结出可以利用横剖面纤维的应力-应变关系描述由屈曲和屈服引起的加筋板逐步破坏，并将后屈曲效应纳入考虑范围。Smith通过非线性有限元对单元弹塑性大挠度分析来获得单元平均应力-平均应变关系。这种方法的计算精度是由单元平均应力-平均应变关系的准确性决定的。

2.2 直接计算法

Caldwell根据船体横剖面的全塑性弯矩对船体总纵极限强度进行了估算，利用受压构件承载能力的折减来解释结构屈曲的影响。这种方法没有考虑当加筋板单元承受的压应力超过其极限强度后的载荷缩短行为和截面应力的重新分布，因此对船体结构总纵极限强度值的估算一般过高。

2.3 有限元法

有限元法对任何加载类型与结构模型都适用。引入平板单元、梁单元以及正交各向异性板单元，不仅能够分析结构在静态和动态载荷作用下的极限状态，还能够对单个结构作整体响应分析，并且将船体在扭矩、弯矩以及剪力联合作用下的响应纳入考虑范围。Kutt等利用这种方法计算和分析了4条船体按各种载荷状态、不同的有限元模型的纵向极限强度，并在分析过程中考虑了屈曲、后屈曲及塑性效应。船舶搁浅结构损伤分析

3.1 船底肋板和扶强材的变形损伤

按照极限强度解析计算方法的假定，可以发现船舶的纵向构件决定了其极限强度，因此，不需要过多地考虑船舶底部肋板和肋板上的扶强材的损伤变形，只需要关注它们在变形过程中的能量耗散。肋板的变形分为中间和两边两个部分。肋板中间部分受到礁石的直接作用而发生变形，两边部分也会受到波及而变形。船舶总的变形能可通过这两部分变形能Efloor，central、Efloor，side叠加得到，而肋板扶强材的变形能Efs主要通过膜拉伸变形和塑性弯曲两种形式耗散。

3.2 船舶外底板和纵骨的变形损伤

在船舶发生搁浅事故时，外底板纵骨的高度一般比礁石的撞击深度要小，在礁石的冲击挤压下，纵骨受到直接作用达到完全塑形状态，因而在船舶的极限强度中不发挥作用。由于纵骨失效，在解析计算过程中受损的船底外板也由原来的若干个纵向加筋板单元转化为一块横向板单元。

3.3 船底纵桁和加强筋的变形损伤

船底纵桁垂向与内外底板相连接并起到支撑作用。当船舶发生搁浅事故时，船底纵桁受挤压变形。通过“实际撞深下纵桁的变形能和垂直压缩距离等于双层底高度时纵桁的最大变形能的比值”来确定纵桁的损伤情况。载荷响应预报和极限强度解析预报

在分析船舶结构时，需要确定作用在船体上的载荷。因为载荷计算在很大程度上决定了结构分析的精度。通常，船体上的波浪载荷分为总体载荷和局部载荷，其中，总体载荷指的是局部海水动压力的合力。另外，波浪还会引起冲击力、甲板上浪的水压力以及舱内液体晃荡力等载荷。总的来说，分析波浪载荷对船体的极限强度计算有着很关键的作用。

在船体极限强度解析预报中，首先要将船体的横剖面划分为若干个小单元，其中，纵向加筋板单元是由一块板和一根纵向加强筋构成，横向加筋板单元一般情况下只有一块板，硬角单元通常是由两块不共面的板构成。将各个单元划分好以后，利用CSR规范公式得出各个单元的应力-应变关系。结束语

出于对船舶安全性的考虑，要对船舶与海洋工程结构极限强度进行进一步的分析。运用逐步破坏法分析船舶在搁浅时的损伤，并对极限强度进行解析预报，从而加强对船体结构的设计。

参考文献

[1]于海洋，张世联，乔迟，等.关于箱型梁结构提高舰船舱内爆炸后剩余纵向极限强度的可靠性评估[J].船舶力学，2014（03）：318-326.[2]李恒，郎元荣.船舶与海洋工程结构极限强度分析[J].科技资讯，2015（07）：68.[3]丁超，赵耀.船舶总纵极限强度后剩余承载能力有限元仿真方法研究[J].中国造船，2014（01）：54-64.〔编辑：刘晓芳〕

第五篇：公路隧道路面结构与材料研究现状及展望

公路隧道路面结构与材料研究现状及展望

摘 要：本文通过调研分析隧道内气候环境对路面结构与材料的影响，分析隧道内特殊气候环境对路面结构与材料的要求，综述目前我国公路隧道内路面结构与材料的型式，论述隧道内路面结构的施工工艺与方法，针对目前公路隧道路面结构与材料现状，提出了今后的研究方向。关键词：公路隧道 路面结构 路面材料 研究及展望

1.前言

随着我国公路建设的迅速发展，公路隧道不断增多。据第二次全国公路普查统计，到’### 年底，全国已建公路隧道1684处，总长达628km。

为了贯彻党中央、国务院关于西部大开发的战略决策，改变西部地区公路建设的落后面貌，交通部确定了加快西部建设发展的总体目标，计划利用20年的时间，基本形成布局合理、功能完善的公路运输服务网络，基本适应西部地区国民经济发展的需要。要实现这一目标，西部地区要建设1.26万公里的国道主干线、1.5万公里的八条省际公路大通道和22万公里的县乡公路。

由于西部地理环境特点，待建公路将向山区发展的趋势，公路隧道无论数量、长度都会有更多的增加，而且规模将越来越大，类型（陆上、水下）将越来越多。面对这一繁重建设任务，但又经济基础薄弱、建设资金匮乏的形势，降低公路投资和维修造价（包括隧道路面）是西部地区许多省区迫切需要解决的问题。

由于各方面的原因，我国对隧道路面结构和材料的研究比较薄弱，隧道路面大多采用水泥混凝土路面，结构型式单一，由于没有针对不同隧道路面的特点进行结构与材料的研究，已建的隧道水泥路面出现了诸如：剥落、断板、接缝破坏、抗滑性能差、平整度低、噪声大等问题，严重影响了隧道通行能力和使用性能。

因此，开展隧道内路面结构与材料研究、调查、观测和分析隧道内气候环境对路面结构与材料的影响，分析隧道内特殊气候环境对路面结构与材料的要求，研究公路隧道内路面结构设计方法与材料设计方法与设计标准，研究隧道内路面的施工工艺与质量控制方法，以及隧道内路面的修复技术，是十分必要和及时的。为此，交通部在’##’ 年西部交通建设科技项目中列入了此项目的研究任务。

2.隧道内环境对路面结构与材料的影响

隧道内是一个相对封闭、空间狭小的管状环境。隧道内没有隧道外的日晒雨淋气候，一般夏季隧道内比洞外气温低，冬季气温较洞外高，全年气温相对稳定，温度变化幅度小，温差小；但隧道内湿度大，比较潮湿，地下水丰富。隧道内空气流动性小，空气易污染；隧道内没有日照，常年处于黑暗中，能见度低。因此，隧道内路面与一般道路、桥面铺装结构在使用环境上存在较大的差别，需深入调查、观测和研究隧道内气候、环境对路面结构和材料性能的影响。

2.1 隧道内环境对路面结构的影响

隧道内没有日晒雨淋对路面结构的影响。隧道内气温，一般夏季隧道内比洞外气温低，冬季气温较洞外高，全年气温相对稳定，温度变化幅度小，温差小，气温的年周期变化、日周期变化小，水泥混凝土路面板内的温度应力也小，路面结构的收缩变形小，不易开裂。

隧道内湿度大，比较潮湿，地下水丰富，易产生水损害和基础唧泥，直接影响路面的使用性能与耐久性，尤其是沥青路面。同时也影响到路表面的抗滑性能，不利于行车安全，对路表面的抗滑性能提出了更高要求。

2.2 隧道内环境对路面材料的影响

隧道内潮湿、地下水丰富，路面材料须有较好的水稳定性，抗水损害的能力要强，同时要求材料的抗滑性能优良，一般选用水泥混凝土路面；隧道内交通噪声大，路面材料最好具有吸收噪声的功能，或者具有一定的减噪能力；隧道内基础强度不均匀，路面材料的整体强度很重要；隧道内空间小，不利于大型机械化施工，路面须具有良好的施工性能。

2.3 隧道内环境对路面施工的影响

隧道内是一个相对封闭、空间狭小的管状环境。隧道内不利于大型施工机械作业，对需要大型施工设备的路面结构不适合，同时给施工及养护造成困难，尤其养护作业时交通组织与交通安全维护问题较大。

2.4 隧道内环境对交通的影响

隧道内管状空间噪声反射率高，交通噪声严重；隧道内废气污染严重，主要是汽车所排放的一氧化碳（CO）和柴油车所排放的烟雾，直接危害乘客的健康，且烟雾、尘土等又会使隧道内能见度降低，影响行车速度与行车安全。

3.隧道内环境对路面的要求

隧道内是一个相对封闭、空间狭小的管状环境，具有独特的气候环境，温差小、湿度大、空气污染严重、交通噪声大等特点，对隧道内路面结构与材料提出了一些特殊的要求。

公路隧道内路面由于特殊的气候与环境，要求其结构密实、路面平整、水稳定性好、强度高，并具有良好的抗滑性能、耐久性和抗磨耗性；不透水，抗水性好，有良好的排水系统；抗腐蚀能力强，漫反射率高，颜色明亮，易修补。

隧道路面材料一般按普通道路建筑材料的技术指标与标准来要求和进行材料组成设计，但隧道内其特殊的气候环境和功能要求，其材料性能指标与技术标准也应作一些调整和变动，以适应隧道路面的技术要求。

4.隧道内路面结构类型与材料

4.1 水泥混凝土路面

目前及多年来主要采用水泥混凝土路面结构型式，其主要优点是：水稳定性好，地下水对其影响小；结构强度高，承载能力强，耐久性好；颜色浅亮对照明有利。但水泥混凝土路面洞内噪声大，路面结构接缝造成平整度相对较差，行车舒适程度不如沥青路面，一般路面抗滑性能难以满足技术要求；由于颜色浅，路面标线与路面的对比度低，路面标线的效果受到影响；水泥混凝土路面一旦损坏，养护维修困难，由于空间狭小、亮度低，不利于作业和交通组织。

隧道内路面抗滑性能不足应引起重视。山西晋城至阳城高速公路中的牛王山隧道，长1860m，双洞、路面各宽8m，路线纵坡2.2%，水泥混凝土路面，1997年底建成通车。而南线混凝土路面抗滑性能急剧下降，表面构造深度由竣工初期的0.72mm下降到1999年6月（一年半）的不足0.2mm，从外观来看，路面横向拉槽逐渐变浅或消失，表面光滑，手感油腻，呈镜面现象；而交通事故大幅上升，1999年占全线交通事故的50%。养护单位采用纵向刻槽方式进行抗滑能力的恢复，效果良好。

4.2 沥青路面

以前隧道内路面较少采用沥青路面，由于隧道内温差小、潮湿，全年保持在一个较低、较恒定的温度，如采用层铺法或路拌法施工的沥青表面处治、沥青贯入式、乳化沥青混合料等，一般不容易成型良好；潮湿的使用环境直接影响沥青路面的使用性能与耐久性，容易产生水损坏，耐久性不如水泥混凝土路面；沥青路面颜色黑，反射率低，直接影响路面的亮度（照明度），其优点是平整度好、抗滑性能易保障、噪声低，行车舒适、安全，且损坏维修方便，与路面标线颜色对比强烈，利于高速公路中的分道行驶。

因此，《公路隧道设计规范》（JTJ 026-90）中，一般情况下，建议采用水泥混凝土路面。隧道内干燥无水、施工方便时也可采用沥青路面。

近年来，随着我国公路建设的迅速发展，公路隧道越来越多，尤其是高速公路中的隧道建设，并对隧道路面的汽车行驶的安全性与舒适性、对隧道路面的表面抗滑性能和噪声要求比一般公路隧道提出了更高的要求，特别是行车安全性、舒适性和环保上的要求。因此，一般小型机具施工的水泥混凝土路面难以满足这方面的要求。

在国外大多数的公路隧道路面采用沥青路面。在我国也有专家提出，一般公路隧道采用水泥混凝土路面，但高速公路隧道宜采用沥青路面，特别是高性能的沥青混合料，如SAC、SMA、OGFC等。如福建省章龙高速公路中的东家畲隧道，长205m，路面结构为：4cmSBS改性沥青SMA-10+改性乳化沥青粘层及自粘式玻璃纤维格栅+4cm改性沥青AC-13+25cmC35水泥混凝土基础+C10贫混凝土找平层，通过年半年的

通车运行，效果良好。而旁边的如山头隧道的水泥混凝土路面，抗滑性能急剧下降，短短3个月时间发生了近20起交通事故。

4.3 连续配筋混凝土路面

美国最先使用连续配筋混凝土路面，早在1921年，在华盛顿特区修建了第一条连续配筋混凝土路面，以探索其工作原理与使用效果，随后德克萨斯州、弗吉尼亚州、宾夕法尼亚州、马里兰州等地开展了大规模的工程试验，得到了比较满意的结果。现行的设计规范为1990年美国联邦公路局（FHWA）颁发的刚性路面规范。在美国全国大量修建高速公路和机场道面时（州际公路与国防公路系统）大量采用了连续配筋混凝土路面，据统计，这种路面的总里程已超过32000km。经过20多年的使用实践，绝大部分路面完好无损。在亚洲，除日本之外，泰国于1988年在南北高速公路上铺筑了150km的连续配筋混凝土路面，采用了英国交通部的设计规范进行设计。

在我国，由于连续配筋混凝土路面用钢量较大，造价较高，一般公路建设中受投资的影响极少采用，2000年以前，仅在江苏省的盐城和镇江等两地各修筑了1km的试验工程。现行《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTJ012—94）也只建议在高速公路与一级公路建设中使用。规范提出的连续配筋混凝土路面设计方法主要参考国外的设计方法和试验路的成果，同时，规范也指出许多问题有待深入研究。2002年湖南省耒宜高速公路建设有限公司在京珠主干线湖南耒阳至宜章段修筑了44km的连续配筋混凝土路面，通过近一年的使用，目前状况良好，行车性能舒适。

由于连续配筋混凝土路面是一种在路面的纵向配置了足够的钢筋，取消了横向接缝的路面形式，它对减少路面水损害破坏，改善隧道路面的使用品质有明显的成效。5.隧道内路面施工特点

隧道内空间狭小、亮度低、空气潮湿，对施工操作不利，目前隧道内水泥混凝土路面大多采用小型机具施工，无法满足平整度的要求，而且施工质量控制困难。目前迫切需要研究采用大型施工机械进行隧道内水泥混凝土路面与热拌热铺沥青混凝土路面的施工技术与质量保障措施。6.隧道内路面结构与材料研究展望

我国是一个多山的国家，2-3左右的国土是山地或重丘，在公路建设中，公路隧道从无到有，从短到长，从简单“土洞”到设备功能齐全的现代化隧道。近年来，随着我国高等级公路的发展，公路隧道建设的规模越来越大，通过这些隧道的实践，推动了科学技术进步，交通部门有关单位近年来围绕工程实际问题开展科学研究，取得了系列研究成果，但对隧道内路面研究不多，而隧道内路面的好坏直接影响到隧道的使用质量与使用效果。因此，有必要对隧道内路面开展更深入的研究，更好地提高隧道内路面行车舒适性、行车安全与通行能力，应在以下几个方面更好地开展研究工作。

1）采用先进的电子测试技术和无损检测技术对隧道内气候、环境和路面使用性能进行周期性观测与调查，全面掌握隧道内气候、环境的特点及其变化规律，结合平面温度场和三维温度场等理论，采用非线性有限元分析方法，在试验研究的基础上进行分析，把握其对隧道路面结构与材料的影响程度。

2）应用连续配筋混凝土路面提高高速公路隧道路面的整体强度、耐久性和行车舒适性能，以满足高速公路以及隧道路面对路面结构的功能要求。

3）采用混凝土板斜接缝、不等距刻槽、滑模摊铺施工技术提高水泥混凝土路面表面的抗滑性能、平整度与降低噪声水平；采用高性能减噪沥青混合料，提高沥青路面表面构造深度，降低行车噪声，提高行车舒适性能。

4）应用水泥混凝土、连续配筋混凝土、钢筋混凝土、贫混凝土基层提高隧道内沥青路面的整体强度，减薄路面结构总厚度，满足隧道内施工上的要求。

5）研究隧道内路面结构的综合防排水技术措施。

6）利用室内大型直道疲劳试验和先进的$%&’ 沥青及沥青混合料试验设备进行路面新材料和新结构的试验验证，结合理论分析，提出隧道内路面结构设计方法。

针对目前公路隧道路面结构与材料现状，提出今后的研究方向，供我国公路隧道尤其是西部地区公路隧道的建设及养护参考，以提高隧道路面使用性能、使用寿命及服务水平，降低行车噪声和养护成本，提高公路隧道运营的安全与综合效益。结论

应在深入调查、观测和研究气候、环境对隧道内路面结构和材料的影响基础上，以实体工程为依托，通过调研、现场观测、室内外试验、工后观测和理论分析，结合新材料、新结构、新工艺、新技术等的应用研究，科学、系统地提出隧道路面结构合理型式、合理厚度和结构组合，提出隧道路面材料设计指标与技术标准，提出隧道路面结构施工工艺以及隧道旧路面的修复技术，用以指导我国公路隧道尤其是西部地区公路隧道的建设及养护，提高隧道路面使用性能、使用寿命及服务水平，降低行车噪声和养护成本，提高公路隧道运营的安全与综合效益。

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