供水管網(wǎng)系統(tǒng)抗震可靠性分析及加固優(yōu)化研究.pdf

1、供水管網(wǎng)系統(tǒng)是城市生命線工程的重要組成部分，在強(qiáng)烈地震作用下j供水系統(tǒng)的破壞及其功能失效會(huì)產(chǎn)生次生災(zāi)害并引起巨大的生命、財(cái)產(chǎn)損失。而我國(guó)現(xiàn)有的供水管網(wǎng)系統(tǒng)，大多數(shù)沒(méi)有經(jīng)過(guò)正規(guī)的抗震設(shè)計(jì)，且不少城市又有著可能遭受中、強(qiáng)地震影響的背景。因此，對(duì)供水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行震害預(yù)測(cè)和地震可靠性分析，評(píng)估系統(tǒng)震后運(yùn)行狀態(tài)、掌握其抗震薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)一步增強(qiáng)其抗震能力，對(duì)開展城市防震減災(zāi)工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文在綜合分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)供水管網(wǎng)系統(tǒng)

2、的地震功能分析和抗震加固優(yōu)化問(wèn)題作了較為全面系統(tǒng)的研究，主要內(nèi)容如下：
　　 (1)以地震波作用下埋地管道的接頭損壞作為主要破壞模式，主要考慮管道的軸向變形性能，采用波動(dòng)理論對(duì)供水管線進(jìn)行地震反應(yīng)分析，比較了兩種管土間軸向變形傳遞系數(shù)的計(jì)算差異，建議采用《室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50032-2003)中給出的變形傳遞系數(shù)進(jìn)行管道抗震驗(yàn)算，并討論了地震波入射角、剪切波速、管徑等參數(shù)對(duì)管道變形的影響?？紤]地震作

3、用效應(yīng)和管道抗力的隨機(jī)特性，建立了埋地管道單元的概率預(yù)測(cè)模型，評(píng)估其在地震時(shí)的震害狀態(tài)，比較了管道隨機(jī)變量采用不同的概率分布模型對(duì)管道抗震可靠性的影響差異，建議管道的允許變形和實(shí)際變形分別采用正態(tài)分布和極值I型分布進(jìn)行計(jì)算。
　　 (2)根據(jù)管線抗震可靠性分析結(jié)果，通過(guò)Monte Carlo隨機(jī)模擬過(guò)程，近似再現(xiàn)管網(wǎng)中各管段的破壞狀態(tài)。把供水管網(wǎng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為邊權(quán)有向網(wǎng)絡(luò)圖，分別結(jié)合圖論理論方法和模糊關(guān)系矩陣法，對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行連通可靠性

4、分析，定性評(píng)價(jià)管網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，為進(jìn)一步分析其抗震功能可靠性提供參考。由于Monte Carlo模擬方法是以管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)與水源點(diǎn)處于連通狀態(tài)的近似頻率計(jì)算代替精確概率分析，所得數(shù)值解具有一定的誤差，為獲得穩(wěn)定的計(jì)算結(jié)果，對(duì)文中所用算例進(jìn)行了5000次模擬。算例分析表明，基于圖論方法和模糊關(guān)系矩陣法得到的管網(wǎng)連通可靠性結(jié)果基本相等。
　　 (3)首先建立管網(wǎng)微觀水力模型，進(jìn)行震前無(wú)破壞狀態(tài)下的流分析。然后根據(jù)震后管線的破壞情況，對(duì)

5、嚴(yán)重破壞的管線關(guān)閉其兩端閥門；對(duì)輕微或中等破壞的管線在其中間位置增設(shè)虛擬漏水節(jié)點(diǎn)，建立帶滲漏管網(wǎng)的水力分析模型，進(jìn)行管網(wǎng)震后服務(wù)功能分析。該模型在傳統(tǒng)的管網(wǎng)水力計(jì)算基礎(chǔ)上，考慮了節(jié)點(diǎn)流量隨水壓的動(dòng)態(tài)變化，避免了負(fù)的壓力計(jì)算值的產(chǎn)生。同時(shí)震后的及時(shí)關(guān)閥措施，有效地提高了管網(wǎng)系統(tǒng)的供水能力。在進(jìn)行供水管網(wǎng)的抗震功能可靠度分析時(shí)，借鑒結(jié)構(gòu)可靠度的分析方法，以節(jié)點(diǎn)水壓為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用均值一次二階矩方法計(jì)算管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的功能可靠度，該方法通過(guò)一次水

6、力分析即可給出震后低壓供水和滲漏狀態(tài)下管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的可靠性指標(biāo)，較之前發(fā)展的隨機(jī)模擬方法大為簡(jiǎn)化且概念清晰。
　　 (4)以節(jié)點(diǎn)水壓和流量為指標(biāo)，建立了管網(wǎng)系統(tǒng)的服務(wù)性能準(zhǔn)則。基于震后管網(wǎng)功能分析結(jié)果，繪制了節(jié)點(diǎn)水壓和節(jié)點(diǎn)流量的服務(wù)性能曲線，采用轉(zhuǎn)換函數(shù)的方法對(duì)其進(jìn)行服務(wù)性能等級(jí)劃分。引入模糊數(shù)學(xué)的理論與方法，構(gòu)造節(jié)點(diǎn)水壓和節(jié)點(diǎn)流量?jī)蓚€(gè)單因素指標(biāo)的梯形隸屬函數(shù)，建立震后管網(wǎng)系統(tǒng)服務(wù)性能的二級(jí)模糊綜合評(píng)判模型，通過(guò)加權(quán)平均型評(píng)判模型

7、和最大隸屬度原則對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)定，實(shí)現(xiàn)了地震對(duì)供水管網(wǎng)系統(tǒng)服務(wù)性能影響的量化評(píng)價(jià)。同時(shí)兼顧管網(wǎng)系統(tǒng)的連通特性和水力特性，采用分層的分析方法，對(duì)其進(jìn)行地震易損性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以便找出系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)而確定減少風(fēng)險(xiǎn)的合理方法。
　　 (5)通過(guò)優(yōu)化管道接頭形式，來(lái)減少震時(shí)管道接頭處的變形和滲漏、提高其抗震性能，進(jìn)而增強(qiáng)管網(wǎng)的抗震功能可靠性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的抗震加固優(yōu)化。從系統(tǒng)全局出發(fā)，以管網(wǎng)系統(tǒng)震后水壓總降幅和系統(tǒng)加固總投入最小為目標(biāo)函數(shù)