城市供水管网抗震能力分析及性能化设计方法研究

发布时间：2019-04-21 12:20

【摘要】：城市输配水系统由取水设施、原水管线、净水厂、加压泵站、配水管线、用户终端等部分组成,可以分为管线和厂站设施两类。地震作用下城市输配水系统破坏灾害效应传播途径为：管线结构或供水设施结构遭受地震破坏,从而导致供水系统的供水功能丧失或减弱,最终表现为供水系统不能满足震后救援、恢复和常态供水等不同时序阶段的供水需求。因此,城市供水管网的抗震设防不仅要提升管线和厂站设施结构的抗震性能,还应注重提升整个管网系统的抗震保障能力。与此相应的供水系统抗震研究也可分为管线或厂站设施结构“单元”层面和管网“系统”层面两个部分,本文工作集中于第二部分,是在第一部分的结构单元抗震能力已知的基础之上进行的。本文的研究对象是城市区域内的配水管线、用户终端构成的局部供(配)水管网“系统”层面的抗震能力评价和抗震设计方法。研究围绕两个方向展开：已知管线结构的抗震能力后,如何准确、高效地评估供水管网的抗震保障能力；已知管网的抗震保障能力后,如何指导管网的抗震设计与改造。论文主要研究内容如下： 1.管网抗震连通可靠性分析的高效算法研究 (1)完善了直接不交界限值算法。此算法的直接不交化分解过程可实时逼近网络可靠性的真实解析解,可联合界限值法求解大型复杂网络可靠性的近似解,此算法更适用于求解单元处于低可靠度状态时的网络两端连通可靠性。 (2)提出了网络连通可靠性计算的重要度抽样随机模拟算法。采用重要度抽样函数进行随机抽样,增加对失效概率贡献大的抽样点出现概率,提高了抽样效率；提出了一般赋权网络转换为边权网络的等效化方法和网络单元连通概率灵敏度的重要度抽样模拟方法。 2.地震破坏供水管网水力分析适用模型研究 (1)进行了地震破坏管线漏水模型对比研究。建立了管段点式渗漏和断开两种破坏状态的流体力学微观模型,通过管线破坏处的水流形态分析,得到了管网渗漏点和断开点的流出量表达式；比较了不同漏损出流模型的差异及其在震后管网水力计算中的适用性。 (2)提出了地震破坏供水管网低压水力分析方法。提出模拟管线断开点的附加扩散器模型,简化了断开管段的建模方法；将压力决定的节点配水量模型加入到地震破坏管网水力分析中,避开了低压管网水力分析中的节点负压问题；利用线性搜索与回溯算法控制管网节点非线性方程组的迭代步长,确保了管网低压水力分析的全局收敛性。 3.供水管网的抗震性能化设计方法研究 (1)提出了按照用户节点重要度进行供水管网抗震性能化设计的方法。建立了以常态运行功能、震后救灾功能和网络拓扑结构为基础的用户节点重要度评价指标体系,分析了管段抗震能力“成本—效益”变化曲线；采用可考虑管网拓扑冗余度的管网抗震设计参数优化分配模型,得到管网拓扑结构和管段抗震设计参数的最优分配。 (2)提出了性能化设计模型求解的优化搜索空间缩减方法。供水管网抗震性能化设计的优化模型为离散变量组合优化问题,提出一种基于两阶段搜索空间缩减策略的求解方法,第一阶段利用度约束连通图生成初始种群来替代随机初始种群,缩小了优化初始搜索空间；第二阶段采用违约个体修补策略变换优化过程中不满足约束条件个体所处的位置。
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【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU991.33

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