基于系统可靠度的地下管网抗震设计

地下管网是生命线工程的重要组成部分。文章以地下管网整体有限元分析模型、基于物理机制的随机地震动场和概率密度演化方法为基础,发展地下管网的系统可靠度分析方法和基于可靠度的抗震设计方法。应用该方法,可以得到管网地震反应的概率密度函数和系统可靠度,进而以典型地下管网为例,具体说明这一设计方法。文中方法的创新性：①该方法针对的是整个地下管网结构而非简单的管线结构;②该方法可以完整获得管网结构不同部位和管网整体的随机反应信息,并据此实现管网内部和管网整体的抗震可靠度评价,从而以此实现基于整体可靠度的地下管网抗震设计。     

随机变量相关性对钢框架结构体系可靠度的影响

采用β约界法计算钢框架结构系统可靠度时,通常在分析系统失效模式时并没有考虑随机变量相关性的影响。通过分析其框架结构实例,研究随机变量相关性对系统失效模式的影响,进而得出影响规律。分析表明：随机变量相关性的改变将改变系统中单元的可靠度,从而影响结构系统的失效路径。     

基于n维等效方法的岩质边坡楔体稳定体系可靠度分析

 提出岩质边坡楔体稳定体系可靠度分析的n维等效方法,建立考虑多失效模式相关的楔体稳定体系可靠度分析的概率故障树模型。采用四参数b 分布来描述可靠度分析中基本随机变量的分布。最后采用n维等效方法计算楔体稳定体系可靠度,并着重分析随机变量敏感性分析的3个层次及不同层次上的可靠度对基本随机变量的敏感性。结果表明,n维等效方法计算的楔体体系失效概率均在Cornell简单上下限法的范围内,它能够有效地评价楔体体系可靠度。概率故障树模型能够清晰直观地模拟多失效模式相关的楔体体系可靠度问题,忽略失效模式间的相关性将会明显高估楔体体系失效概率。此外,黏聚力和内摩擦角之间的负相关性对边坡的可靠度具有有利的影响。随机变量敏感性分为单一极限状态方程、单一失效模式以及体系可靠度3个不同的层次,在研究随机变量敏感性时必须明确相应的分析层次。水压力和结构面产状的敏感因子较大,因此布置良好的边坡排水系统以及进行详细的地质勘测工作是提高楔体可靠度有效的方法。研究成果为边坡风险分析奠定了一定的基础。     

地震时供水管网的可靠性和功能分析(下)

本文以管线的可靠度分析为基础,对震后供水管网的可靠性及其功能进行分析.将直埋管线看作地基梁,考虑它和地震波引起土层位移的相互作用,建立极限状态函数.假设其随机矢量正态分布和线性无关或非正态分布和非线性无关.对于这两种情形,可采用电子表格的规化求解方法,或采用可靠度指数的Hasofer-Lind公式,都可得到管线的可靠度指数.用电子表格法对于用户无需求偏导数等复杂的数学运算,而采用H-L公式则要涉及偏导数和R-F变换等的运算,通常这是很困难的.本文借助MATLAB的符号运算程序可给出偏导数和其他相关函数,使得可靠度指数计算变得容易.在给出所有管线的失效概率后,就可对震后管网的可靠性及供水功能进行分析.管网的连通性估计是由Monte-Carlo法进行模拟计算得到的,可以给出任意两节点间的可靠概率估计.供水管网在地震时由于受损可能出现渗透漏,它的供水功能可能降低,可以通过管网的水力分析进行评价.本文采用点式渗漏模型模拟震后管线的渗漏,提出用管线损坏概率的反正弦函数来表示渗漏面积,实现对震后供水管网的水力计算.基于地理信息系统的供水管网抗震能力分析方法已经建立.依据来自GIS的管线失效概率、管网的可靠性和供水功能的分析信息可以对供水管网的抗震能力做出全面的评价.     

地震时供水管网的可靠性和功能分析(上)

本文以管线的可靠度分析为基础,对震后供水管网的可靠性及其功能进行分析.将直埋管线看作地基梁,考虑它和地震波引起土层位移的相互作用,建立极限状态函数.假设其随机矢量正态分布和线性无关或非正态分布和非线性无关.对于这两种情形,可采用电子表格的规划求解方法,或采用可靠度指数的Hasofer-Lind公式,都可得到管线的可靠度指数.用电子表格法对于用户无需求偏导数等复杂的数学运算,而采用H-L公式则要涉及偏导数和R-F变换等的运算,通常这是很困难的.本文借助MATLAB的符号运算程序可给出偏导数和其他相关函数,使得可靠度指数计算变得容易.在给出所有管线的失效概率后,就可对震后管网的可靠性及供水功能进行分析.管网的连通性估计是由Monte-Carlo法进行模拟计算得到的,可以给出任意两节点间的可靠概率估计.供水管网在地震时由于受损可能出现渗透漏,它的供水功能可能降低,可以通过管网的水力分析进行评价.本文采用点式渗漏模型模拟震后管线的渗漏,提出用管线损坏概率的反正弦函数来表示渗漏面积,实现对震后供水管网的水力计算.基于地理信息系统的供水管网抗震能力分析方法已经建立.依据来自GIS的管线失效概率、管网的可靠性和供水功能的分析信息可以对供水管网的抗震能力做出全面的评价.     

随机钢结构的相关性与敏感性研究

参数敏感性和失效相关性对于钢结构可靠度设计、优化和评定等具有重要的价值。本文以一简单函数为例来验证相关性和敏感性计算的正确性与高效性,紧接着以1个11-弦杆的桁架结构为例,重点研究了此种结构的参数敏感性和失效相关性,分析了变形能力极限状态下可靠度的重要性量度,将α、γ、δ和η作为4种重要性量度,分别研究了各随机变量对极限状态方程的敏感性和失效概率对随机变量均值和标准差的敏感性,并研究了基于变形能力的失效模式之间的相关性;将Polak-He和SQP算法引入到了桁架结构的可靠度与敏感性计算当中。主要得出如下结论:在此类桁架结构的可靠度计算中,节点坐标的变异性的影响不容忽略,有时甚至影响很大;4种重要性量度的变化趋势大体一致;SQP法和经过合适选取缩放系数的Polak-He法具有很高的验算点搜索效率。     

现役混凝土结构的耐久性可靠度分析方法

针对现役的混凝土结构,综合考虑影响混凝土结构耐久性各种失效模型的相关性,基于概率网络估算技术的系统可靠度方法,提出钢筋混凝土构件和结构体系在多因素影响下的耐久性可靠度模型;并将此模型应用于现役混凝土结构的可靠度分析。     

基于连通可靠性的生命线管网系统抗震加固优化设计

生命线工程管网系统抗震可靠性分析的目的不仅仅在于给出一个定性的评估结果,更重要的是利用这些分析方法,对管网系统进行优化设计以使系统取得更好抗震性能。以无向边权网络系统为分析对象,以管网系统节点连通抗震可靠度为优化目标,加固管网造价为约束条件,建立网络系统拓扑优化模型。为避免大规模非线性规划求解的困难,利用正交枚举法作为管网系统加固优化设计的工具,给出了一种生命线工程管网系统抗震加固优化设计实用有效的方法。     

火灾时管片可靠度计算及优化研究

受火灾高温的影响,隧道衬砌结构可靠性降低。笔者通过自由变形理论,解析计算可靠度优化模型中的结构内力,明确了计算中的随机变量;从结构可靠度指标几何意义出发,基于优化思想确定了可靠度计算公式;考虑火灾下衬砌管片的损伤特点,提出了火灾下管片的功能函数,建立了管片高温下可靠度计算优化模型;最后通过案例分析并利用非线性规划求解优化问题,得到火灾下衬砌可靠度的变化规律,并对管片截面厚度进行了优化设计。研究表明,常规设计管片各处可靠度指标差异较大,隧道拱顶可靠度最低,10 min后失效概率大于0.023,通过优化设计可使火灾持续30 min后满足基本安全。     

基于映射变换法的平面预应力钢桁架整体可靠性分析

利用映射变换法建立索张拉平面预应力钢桁架任意单元失效模式可靠度指标的迭代模型,并基于点估计法得到整体结构失效概率及可靠性指标的计算公式。模型中的随机参数包括折线索单元和桁架单元的截面面积(或综合刚度)、张拉钢索的预拉力、外荷载及边界弹性约束刚度等。基于所建立的计算模型编制相应的计算程序,对工程中常见的结构形式进行分析,并对影响结果的有关参数进行讨论。结果表明,钢索张拉力标准差对结构可靠性指标的影响与杆件截面面积随机变量的分布特性有较大的关系,且当截面面积为对数正态分布时,其影响大于正态分布。其次,随机变量标准差的变化对结构可靠性指标的影响均与相关性系数ρNA有一定关系。这些结论为索张拉预应力钢结构整体可靠性设计奠定了一定的基础。     

供水管网地震漏损蒙特卡洛模拟分析

为研究供水管网在不同地震烈度下的漏损情况和水力特性,基于管道地震破坏评估模型和概率分析方法,对不同地震烈度下管线的破坏概率和渗漏状态进行了计算分析,引入折减系数对管段抗震可靠度分析方法进行改进,并与传统计算方法比较,验证了其合理性。发展了Monte Carlo模拟技术在供水管网流分析方面的应用,并考虑带渗漏和爆管两种出流方式。编制程序对一大型管网进行了模拟分析,给出了震后带漏损情况下管网的漏失率和破坏情况,结果与实际地震灾害情况相符。     

有接头埋管在地震行波作用下的弹塑性分析

针对具有柔性接头的地下埋管在地震波作用下的反应分析问题,基于反应位移法,将管体和接头进行等效均匀化处理建立简化的弹塑形管单元模型,推导了由这样的简化管单元模型构成的直管段在地震位移波作用下的位移计算公式。在求得等效管模型位移的基础上,再对每个管段和接头进行精细分析,求得管体及其接头的真实内力和变形。利用该方法对PVC管和铸铁管两种类型埋管进行了地震波作用下的反应分析,并与基于有限元分析的结果进行对比验证了方法具有充分的计算精度,可在地下埋管抗震设计中应用。     

供气管线抗震可靠性分析

生命线工程系统中主干供气管网中存在着大量的焊接钢管,其在地震激励下的破坏以强度破坏为主。本文首先采用弹性地基梁原理和余弦正交展开方法,给出了管线在地震激励下应力的级数解。然后根据规范给出了供气管线在地震作用下的极限状态方程,并采用验算点法得到其可靠度。本文以沈阳市主干供气管线的抗震可靠性分析为例,介绍了本文方法在工程中的应用情况。     

考虑随机腐蚀作用的埋地管线地震反应分析

利用齐次马尔可夫过程模拟埋地管线腐蚀的发生,并利用线性腐蚀模型模拟埋地管线腐蚀的发展,将线性腐蚀模型中腐蚀速率考虑为确定性参数,推导给出了管线面积腐蚀率随服役时间变化的概率密度函数,并获得了管线截面面积随服役时间变化的均值和方差。在此基础上,根据弹性地基梁模型,将管线周围土体位移正交展开为余弦级数的形式,获得了地震作用下腐蚀管线位移反应和应力反应的解析表达式。对腐蚀管线地震反应进行线性展开,采用随机摄动理论推导给出了腐蚀管线在地震激励下位移和应力反应的均值和标准差。利用上述分析模型对一根200 m长的埋地管线进行了实例分析,结果表明建议模型可以反映管线面积随服役时间的变化规律,并能反映腐蚀管线在地震作用下位移反应和应力反应的基本概率特征。     

考虑多失效模式相关的岩质边坡体系可靠度分析

 岩质边坡稳定的可靠度分析中包含多个相关的失效模式,传统的岩质边坡体系可靠度分析方法不能有效地考虑多失效模式相关的体系可靠度问题。为此,提出考虑多失效模式相关的岩质边坡平面滑动的体系可靠度分析方法。建立考虑多失效模式相关的岩质边坡平面滑动体系可靠度分析的概率故障树模型。采用b分布描述岩质边坡稳定分析中张裂缝的位置、岩体的黏聚力和内摩擦角。张裂缝中充水深度用截尾指数分布来描述。采用自适应重要抽样方法计算岩质边坡平面滑动的体系可靠度,并进行随机变量分布参数的敏感性分析。算例结果表明,概率故障树模型能够有效地分析岩质边坡多失效模式相关的体系可靠度问题,如果不考虑失效模式间的相关性对边坡体系可靠度的影响,岩质边坡的体系可靠度将会被低估。岩质边坡2个块体之间不发生相互作用的可能性明显地比2个块体之间发生相互作用的可能性要高。建议在进行岩质边坡体系可靠度分析时将张裂缝中充水深度系数取为区间[0.0,1.0]内的截尾指数分布。此外,变量的均值敏感性因子和标准差敏感性因子都表明,张裂缝中充水深度和张裂缝位置对边坡的体系可靠度影响最大,因此设置良好的边坡排水系统以及进行详细的地质勘测工作是提高边坡稳定性的有效措施。变量的均值和标准差敏感性因子之间是高度相关的,它们都可以用来识别最敏感的随机变量。     

Improvement of mechanical behavior of buried pipelines subjected to strike-slip faulting using textured pipeline

The present study investigates the mechanical behavior of a new generation of buried pipelines, dubbed the textured pipeline, which is subjected to strike-slip faulting. In conventional cylindrical pipelines, the axial and bending stresses brought about in their walls as a result of fault movement, lead to local buckling, which is construed as one of the major reasons contributing to pipeline failure. The present study has assessed 3-D numerical models of two kinds of buried textured pipelines, with 6 and 12 peripheral triangular facets, subjected to a strike-slip faulting normal to the axis of the pipelines, with and without internal pressure, with the two kinds of X65 and X80 steel, and with different diameter-to-thickness ratios. The results indicate that, because of specific geometry of this pipeline shell which is characterized by having lower axial stiffness and higher bending stiffness, compared to conventional cylindrical pipeline, they are considerably resistant to local buckling. The results of this study can be conceived of as a first step toward comprehensive seismic studies on this generation of pipelines which aim at replacing the conventional cylindrical pipelines with textured ones in areas subjected to fault movement.     

不连续埋地管线在沉陷情况下的可靠度分析

运用响应面法对埋地不连续管线在沉陷位移、管线直径、管线壁厚以及接口轴向弹簧等随机变量下的可靠度进行分析,得到埋地不连续管线接口最大相对位移超过渗漏位移的失效概率及可靠度指标,为沉陷区埋地管线的设计积累经验。