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《大连理工大学》 2009年
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供水管网系统抗震可靠性分析及加固优化研究

何双华  
【摘要】: 供水管网系统是城市生命线工程的重要组成部分,在强烈地震作用下,供水系统的破坏及其功能失效会产生次生灾害并引起巨大的生命、财产损失。而我国现有的供水管网系统,大多数没有经过正规的抗震设计,且不少城市又有着可能遭受中、强地震影响的背景。因此,对供水管网系统进行震害预测和地震可靠性分析,评估系统震后运行状态、掌握其抗震薄弱环节,进一步增强其抗震能力,对开展城市防震减灾工作具有重要的现实意义。本文在综合分析国内外相关研究的基础上,对供水管网系统的地震功能分析和抗震加固优化问题作了较为全面系统的研究,主要内容如下: (1)以地震波作用下埋地管道的接头损坏作为主要破坏模式,主要考虑管道的轴向变形性能,采用波动理论对供水管线进行地震反应分析,比较了两种管土间轴向变形传递系数的计算差异,建议采用《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》(GB50032-2003)中给出的变形传递系数进行管道抗震验算,并讨论了地震波入射角、剪切波速、管径等参数对管道变形的影响。考虑地震作用效应和管道抗力的随机特性,建立了埋地管道单元的概率预测模型,评估其在地震时的震害状态,比较了管道随机变量采用不同的概率分布模型对管道抗震可靠性的影响差异,建议管道的允许变形和实际变形分别采用正态分布和极值Ⅰ型分布进行计算。 (2)根据管线抗震可靠性分析结果,通过Monte Carlo随机模拟过程,近似再现管网中各管段的破坏状态。把供水管网系统简化为边权有向网络图,分别结合图论理论方法和模糊关系矩阵法,对管网进行连通可靠性分析,定性评价管网系统的运行状态,为进一步分析其抗震功能可靠性提供参考。由于Monte Carlo模拟方法是以管网各节点与水源点处于连通状态的近似频率计算代替精确概率分析,所得数值解具有一定的误差,为获得稳定的计算结果,对文中所用算例进行了5000次模拟。算例分析表明,基于图论方法和模糊关系矩阵法得到的管网连通可靠性结果基本相等。 (3)首先建立管网微观水力模型,进行震前无破坏状态下的流分析。然后根据震后管线的破坏情况,对严重破坏的管线关闭其两端阀门;对轻微或中等破坏的管线在其中间位置增设虚拟漏水节点,建立带渗漏管网的水力分析模型,进行管网震后服务功能分析。该模型在传统的管网水力计算基础上,考虑了节点流量随水压的动态变化,避免了负的压力计算值的产生。同时震后的及时关阀措施,有效地提高了管网系统的供水能力。在进行供水管网的抗震功能可靠度分析时,借鉴结构可靠度的分析方法,以节点水压为评价指标,采用均值一次二阶矩方法计算管网各节点的功能可靠度,该方法通过一次水力分析即可给出震后低压供水和渗漏状态下管网各节点的可靠性指标,较之前发展的随机模拟方法大为简化且概念清晰。 (4)以节点水压和流量为指标,建立了管网系统的服务性能准则。基于震后管网功能分析结果,绘制了节点水压和节点流量的服务性能曲线,采用转换函数的方法对其进行服务性能等级划分。引入模糊数学的理论与方法,构造节点水压和节点流量两个单因素指标的梯形隶属函数,建立震后管网系统服务性能的二级模糊综合评判模型,通过加权平均型评判模型和最大隶属度原则对管网系统进行综合评定,实现了地震对供水管网系统服务性能影响的量化评价。同时兼顾管网系统的连通特性和水力特性,采用分层的分析方法,对其进行地震易损性风险评估,以便找出系统薄弱环节进而确定减少风险的合理方法。 (5)通过优化管道接头形式,来减少震时管道接头处的变形和渗漏、提高其抗震性能,进而增强管网的抗震功能可靠性,实现系统的抗震加固优化。从系统全局出发,以管网系统震后水压总降幅和系统加固总投入最小为目标函数,以管线抗震可靠度和震后管网各节点的自由水压为约束,建立多目标优化数学模型,将优化变量转化为较少的离散变量,对管网系统进行抗震加固优化。基于不刻意追求最优解,而寻求满意解的优化思想,利用正交枚举法进行简化计算,从而避免了大规模非线性规划求解的困难,为已建供水管网系统的抗震加固及拟建管网系统的抗震优化设计提供了理论依据。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TU991.33

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