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，在強烈地震作用下j供水系統(tǒng)的破壞及其功能失效會產生次生災害并引起巨大的生命、財產損失。而我國現(xiàn)有的供水管網(wǎng)系統(tǒng)，大多數(shù)沒有經(jīng)過正規(guī)的抗震設計，且不少城市又有著可能遭受中、強地震影響的背景。因此，對供水管網(wǎng)系統(tǒng)進行震害預測和地震可靠性分析，評估系統(tǒng)震后運行狀態(tài)、掌握其抗震薄弱環(huán)節(jié)，進一步增強其抗震能力，對開展城市防震減災工作具有重要的現(xiàn)實意義。本文在綜合分析國內外相關研究的基礎上，對供水管網(wǎng)系統(tǒng)

2、的地震功能分析和抗震加固優(yōu)化問題作了較為全面系統(tǒng)的研究，主要內容如下：
　　 (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，采用波動理論對供水管線進行地震反應分析，比較了兩種管土間軸向變形傳遞系數(shù)的計算差異，建議采用《室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設計規(guī)范》(GB50032-2003)中給出的變形傳遞系數(shù)進行管道抗震驗算，并討論了地震波入射角、剪切波速、管徑等參數(shù)對管道變形的影響?？紤]地震作

3、用效應和管道抗力的隨機特性，建立了埋地管道單元的概率預測模型，評估其在地震時的震害狀態(tài)，比較了管道隨機變量采用不同的概率分布模型對管道抗震可靠性的影響差異，建議管道的允許變形和實際變形分別采用正態(tài)分布和極值I型分布進行計算。
　　 (2)根據(jù)管線抗震可靠性分析結果，通過Monte Carlo隨機模擬過程，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)簡化為邊權有向網(wǎng)絡圖，分別結合圖論理論方法和模糊關系矩陣法，對管網(wǎng)進行連通可靠性

4、分析，定性評價管網(wǎng)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，為進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)點與水源點處于連通狀態(tài)的近似頻率計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)定的計算結果，對文中所用算例進行了5000次模擬。算例分析表明，基于圖論方法和模糊關系矩陣法得到的管網(wǎng)連通可靠性結果基本相等。
　　 (3)首先建立管網(wǎng)微觀水力模型，進行震前無破壞狀態(tài)下的流分析。然后根據(jù)震后管線的破壞情況，對

5、嚴重破壞的管線關閉其兩端閥門；對輕微或中等破壞的管線在其中間位置增設虛擬漏水節(jié)點，建立帶滲漏管網(wǎng)的水力分析模型，進行管網(wǎng)震后服務功能分析。該模型在傳統(tǒng)的管網(wǎng)水力計算基礎上，考慮了節(jié)點流量隨水壓的動態(tài)變化，避免了負的壓力計算值的產生。同時震后的及時關閥措施，有效地提高了管網(wǎng)系統(tǒng)的供水能力。在進行供水管網(wǎng)的抗震功能可靠度分析時，借鑒結構可靠度的分析方法，以節(jié)點水壓為評價指標，采用均值一次二階矩方法計算管網(wǎng)各節(jié)點的功能可靠度，該方法通過一次水

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)點的可靠性指標，較之前發(fā)展的隨機模擬方法大為簡化且概念清晰。
　　 (4)以節(jié)點水壓和流量為指標，建立了管網(wǎng)系統(tǒng)的服務性能準則。基于震后管網(wǎng)功能分析結果，繪制了節(jié)點水壓和節(jié)點流量的服務性能曲線，采用轉換函數(shù)的方法對其進行服務性能等級劃分。引入模糊數(shù)學的理論與方法，構造節(jié)點水壓和節(jié)點流量兩個單因素指標的梯形隸屬函數(shù)，建立震后管網(wǎng)系統(tǒng)服務性能的二級模糊綜合評判模型，通過加權平均型評判模型

7、和最大隸屬度原則對管網(wǎng)系統(tǒng)進行綜合評定，實現(xiàn)了地震對供水管網(wǎng)系統(tǒng)服務性能影響的量化評價。同時兼顧管網(wǎng)系統(tǒng)的連通特性和水力特性，采用分層的分析方法，對其進行地震易損性風險評估，以便找出系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)進而確定減少風險的合理方法。
　　 (5)通過優(yōu)化管道接頭形式，來減少震時管道接頭處的變形和滲漏、提高其抗震性能，進而增強管網(wǎng)的抗震功能可靠性，實現(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函數(shù)