考虑水质因素的供水管网抗震韧性评估

城市基础设施系统抗震韧性分析模型是评估城市防震减灾能力并指导震后恢复工作的重要依据。提出了耦合水力与水质模拟的供水管网抗震韧性评估模型。根据管道地震易损性模型和Monte Carlo模拟生成管网地震破坏场景,并采用动态重要度方法模拟管网震后修复过程。通过管网中余氯浓度的降低表示地震破坏对管网水质的负面影响,震后管网余氯浓度的变化取决于管道破坏引起的供水路径和水量的变化。采用震后余氯浓度未下降的用户节点供水量,作为管网系统水质性能评估指标。所提出的模型应用于2个不同布局的Benchmark案例管网。研究结果表明:管道破损处的水量漏失导致其上游管道的水流量增加、余氯浓度增大,下游管道的供水路径延长、余氯浓度减小。管网的水质韧性值往往低于水力韧性值,水力和水质韧性相对差异程度受到管网布局和运行规则的影响,文中案例管网水质和水力指标计算的抗震韧性损失指标的相对差异在17%~286%之间;运行规则复杂且含有调节水箱的管网,其水力和水质韧性的差异较大。

基于ReCOVER体系的我国城市韧性演进特征分析

城市化进程的加速和面临的多样化挑战使得城市韧性成为城市可持续发展的关键策略之一,深入研究我国城市韧性水平的演进特征对于全面了解我国城市发展的整体情况和提高城市防灾减灾能力具有重要意义。探究了2016—2020年我国31个省级行政区城市韧性水平的时空演进特征,基于城市韧性评价体系ReCOVER对5 a间各省级行政区城市韧性水平进行综合测算,从时间维度和空间维度两方面综合分析了各省级行政区城市韧性的演进特征。结果表明:在时间维度方面,我国城市韧性水平整体得到提升,但各省级行政区的演变特征存在多样性。分阶段而言,4个阶段的韧性水平整体均呈现出增长的趋势;分维度而言,除社区与人口维度韧性水平呈现下降趋势外,其余维度韧性水平均得到提升。在空间维度方面,各省级行政区城市韧性之间呈现出显著的空间正相关性,即城市韧性在空间分布上存在显著集聚的现象,且集聚趋势呈现一定的离散性;总体而言,我国城市韧性在空间上呈现出明显的东高西低格局,空间分布差异特征明显。研究结果有助于了解各省级行政区的韧性水平演进趋势以及驱动城市韧性的主要因素,从而可以基于韧性演进特征和区域城市特点,为未来的韧性提升提供科学的理论指导。

韧性城市视角下地铁系统安全运营评价指标体系

为降低地铁系统安全运营风险,从韧性城市的视角提出了一种针对城市地铁系统安全运营的评价指标体系。该指标体系在解析既有地铁系统评价指标体系基础之上,从地铁系统物理构成要素的五个基本维度出发,沿时间切入韧性的四个基本特征,建立了针对地铁系统韧性这一目标的评价方法,并概述为地铁系统韧性评价的541指标体系(即五个维度、四个特征、一个目标)。运用层次分析法对该体系内各级指标的权重进行计算和比较,结合可拓物元理论构建地铁系统韧性评价模型,并以某市地铁系统为例,利用专家打分法得到的分值进行模型的运用。这一指标体系不仅可有效识别整个地铁系统关键物理要素,并将其与韧性的不同特征建立联系,是韧性城市理论在地铁系统领域的重要拓展,对于指导地铁系统的安全运营具有很好的参考价值和借鉴意义。

中国特色韧性城市的经验探索与未来趋势——从唐山地震到汶川地震

城市作为人类生产生活的主要聚集区域,始终面临着地震、暴雨、台风等各类自然灾害的威胁,以系统的观点加强城市防灾减灾的研究,是土木工程学科所面临的重要课题。韧性城市作为近年来城市防灾减灾领域的新概念,是指城市面临各种自然灾害和人为冲击时,作为一个有机体能够保障居民基本生活的需求并迅速恢复其功能。该文以中国城市防灾减灾史中的2次标志性事件(唐山地震和汶川地震)为依据,通过对系列灾害调查报告的深入分析,以韧性城市的全新视角,详细梳理了2次灾害中城市破坏和恢复的全过程,进行了如下工作:1)从系统的层次重新定义了城市,界定韧性城市的基本概念和量化方式、基本维度和基本特征;2)明确城市灾后恢复的基本过程和功能恢复曲线;3)揭示城市灾后空间分布的异化现象与内在机理;4)讨论了城市生命线工程灾后恢复的基本过程和相互耦合现象;5)进一步明确未曾得到重视的特殊基础设施系统。该文不仅以事实为依据,系统总结了唐山地震和汶川地震中我国在城市防灾减灾领域的经验探索和巨大成就,同时亦可为未来建设有中国特色的韧性城市研究体系和实践体系,提供了有效借鉴。

考虑交叉管线影响的城市供水管网地震响应分析及震害评估

以北京市某地区埋地供水管网为实例,通过直线型和交叉型典型管道二维有限元模型,系统分析了管道规格、接口形式、场地条件、地震动强度等级和地震动入射角等关键参数对管道接口轴向和转角变形的影响,得到了不同设防烈度地震动作用下该供水管网的损伤情况。基于国内外管道接口试验数据统计分析结果,确定了基于接口变形量的管道损伤判定准则,并用于不同管道接口类型地震损伤评价,建立了不同场地条件下典型管道接口地震损伤数据库。根据管道属性、场地信息和管道接口地震损伤数据库,基于GIS软件绘制管网地震损伤分布图。结果表明:相同烈度地震作用下,管线交叉处接口峰值变形量约为直管线接口的1.5倍~2.0倍,其中与法兰接口邻接的承插式接口存在峰值变形突变。罕遇烈度地震动作用下的管网地震损伤程度远高于设防烈度,且破坏多集中于Ⅳ类场地和管线交叉处。

基于系统动力学的城市供水管网动态抗震韧性评估方法

城市供水管网是生命线工程的重要组成部分,随着韧性城市研究和建设的开展,以系统的视角重新审视供水管网的综合防灾减灾能力,建立一种可有效反映管网震后恢复过程的量化的抗震韧性评估方法成为一种现实需要。该文基于供水管网震后恢复的典型过程,提出了供水管网地震灾后恢复的4个特征阶段,并针对应急阶段和抢险阶段,提出了一种基于系统动力学理论的供水管网动态抗震韧性评估方法。该方法不仅可以有效地反映地震灾后外部需水要求随人群迁移和火场变化而变化特征,而且可有效评估救援资源对管网功能恢复的影响,并实现供水管网的动态抗震韧性评估。

球墨铸铁管道新型抗震接口力学性能试验及数值模拟

有效的管线接口抗震措施是优化城市供水管网抗震性能和震后功能恢复能力的关键。为此,基于机械自锚设计和自变形补偿等思想,提出一种球墨铸铁管道新型自锚式抗震接口。开展普通承插式接口和新型抗震接口的轴向拉伸拟静力试验及抗震接口精细化三维有限元数值模拟,研究新型管道接口的抗拉承载能力、初始抗拉刚度、抗变形能力和极限破坏状态等力学特性。结果表明:0.2 MPa以内的水压变幅对普通承插式接口的轴向力学性能和破坏方式的影响不大,接口初始漏水至功能失效状态的过渡变形约为2.5 mm;新型自锚式抗震接口具备良好的承载能力和抵抗大变形能力,其抗拉力学性能曲线分为3个阶段,即胶圈受力阶段、卡环受力阶段和卡环失效破坏,其中,在卡环变形量为9 mm左右时,达到峰值承载力330 kN左右。

基于用户综合重要度的城市供水管网抗震性能化设计

提出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,以不同重要度用户的抗震保障能力需求为设计目标,以管网拓扑结构和管段抗震能力为设计参数。建立以常态运行功能、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,采用多属性决策方法耦合计算用户综合重要度。根据管段造价系数、接口位移和抗震可靠度的对应关系,分析管段抗震能力"成本-效益"变化曲线。采用可考虑拓扑冗余度的优化分配模型确定管网的设计参数,以某城市供水管网为例进行管网抗震参数优化设计,验证了该方法的有效性。

计算网络s-t可靠性的直接不交界限值算法

网络两端可靠性的精确求解属于NP困难问题,对于规模较大的工程网络,求解过程非常耗时.可行的办法是采用满足实际精度要求的近似算法,其中利用两端界限逼近求解的方法是一类较为有效的近似算法.提出了一种可利用界限求解的直接不交化算法.算法可直接生成不交最小路集和不交最小割集,并实时逼近网络可靠性的真实解,可在有限计算时间内求出小型网络可靠性的精确解或大型复杂网络可靠性的近似解.与改进Dotson算法相比,此算法可更快地求解单元处于低可靠度状态时的网络两端连通可靠性;与最小割递推分解算法相比,此算法可得到较优不交解集.

考虑管线失效相关性的埋设管网系统地震可靠性随机模拟

城市范围内的埋地管线,具有相似的结构属性参数,面临空间相关的地震动荷载,管线结构地震破坏失效存在相关性。提出一种考虑管线失效相关性的埋设管网地震连通可靠性随机模拟方法,以空间距离表示管线位置处地震动参数的相关系数,采用经验震害公式求解管线地震破坏概率,通过联合分布与边缘分布的关系得到管线结构失效事件的相关系数。将管线结构地震破坏事件视为相关随机变量,采用正交变换方法将相关随机变量转变为独立随机变量,进行Monte Carlo随机模拟求解管网"源-汇"点连通事件的概率。通过设定地震作用下典型算例的连通可靠性求解,验证了方法的正确性,并比较了管线失效相关性对管网地震可靠性分析结果的影响。

考虑天气因素的给水管道漏损预测模型

天气变化引起土壤含水率变化和变形等,导致气温变化与市政给水管道的破损事件存在相关性。为此,基于北方某城市给水管网破损事件数据和气温记录,分析不同的天气因素量化指标与管道破损事件的相关性。采用误差反向传播神经网络(BPNN)和基因表达式编程(GEP)方法,建立考虑天气因素的给水管道漏损预测模型。根据案例城市过去11年的市政给水管网破损记录数据库、管道地理信息数据库和同期气温记录,分析6个天气因素指标(平均温度、冰冻指标、最大上升值、最大下降值、最大上升率、最大下降率)的内在相关性及其与管道破损事件的相关性;采用BPNN和GEP建立管道破损数(因变量)与4个自变量(代表性天气因素指标、管径、管龄、管长)的隐式和显式函数关系。应用隐式和显式两种模型预测案例城市给水管网未来1年的破损数,未考虑天气因素的模型预测决定系数分别为0.65和0.60,考虑天气因素模型预测结果的决定系数分别为0.78和0.88,预测精度提升率分别为13%和28%。建立考虑天气因素的给水管道漏损预测模型是合理有效的。

地震破坏供水管网低压水力分析

供水管网遭受地震破坏后会产生渗漏和爆管,在震后的紧急救援和修复阶期,供水管网处于低压带漏损供水状态。根据断开管段的沿程水头损失关系,提出一种在断开管段端点附加扩散器模型模拟断开点漏水,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。此方法具有建模简单,计算量小,全局收敛速度快的特点;通过示例计算及结果比较,验证了其有效性。

地震破坏管线漏损分析模型对比研究

城市供水管网震后水力功能分析是评价管网震后服务能力的重要手段,针对震后漏损管网水力分析中的破坏管线出流量及其拓扑结构进行模型对比研究。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;利用局部水头损失与沿程水头损失间的等损失转化关系,建立了渗漏点与断开点出流模型的转化关系;比较分析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。分析和示例管网计算结果表明,渗漏点和断开点的水流量应分别由孔口出流处的局部水头损失和断开管段的沿程水头损失计算。

考虑相关性的地下管网系统抗震可靠度分析方法

城市供水、供气、供热等地下管网是重要的生命线工程系统,由于管网中不同管线的结构属性、场地环境、地震动荷载等参数的相关性,管线结构抗震失效事件存在相关性。文章建立相关失效管网系统抗震可靠度问题的解析模型,给出随机变量相关系数在管线可靠度至管网系统可靠度的传递关系。利用基于Nataf变换和正交变换的一次二阶矩法,建立含相关随机变量的管线结构抗震可靠度解析模型;基于结构体系可靠度理论,求解管线结构失效相关系数;采用网络可靠度算法,计算相关失效管网系统节点连通可靠度。同时,给出基于相关随机变量抽样的Monte Carlo随机模拟解法。算例分析结果表明,在管段结构功能函数起控制作用的随机变量的强相关性,对管网系统可靠度影响较大;与传统的管线失效独立假定相比,管线失效事件的强相关性可使并联管网系统可靠度减小15%以上;管网系统拓扑结构的并联冗余性越高,管线失效相关性对系统可靠度的影响越大。

基于风险模型的城市供水管道失效后果评估研究

供水管道由于材质、环境和运行条件的影响会出现性能退化,发生破损,带来供水安全和城市秩序等问题。建立供水管道破损事件预测模型,评估破损后果,可以预判不同管道失效风险程度,为管道的更新改造方案的制定提供依据,对保证城市供水服务质量,节约水资源,构建和谐宜居城市具有重要的现实意义。

考虑失效相关性的埋设管网系统地震可靠性分析

城市范围内的埋地管线，结构属性相似，所处的场地环境和可能遭受的地震荷载存在很大的相关性，地震作用下不同管线结构的失效破坏存在相关性。提出一种考虑管线失效相关性的埋设管网地震连通可靠性随机模拟方法，以空间距离表示管线位置处地震动参数的相关系数，采用震害率统计公式求解管线地震破坏概率，通过联合分布与边缘分布的关系得到管线结构失效事件的相关系数。

基于证据理论的深基坑工程施工风险综合评价

为综合考虑不同风险因素对风险评价结果的影响,针对目前不完全信息下深基坑工程施工风险评价无法利用定性评价信息——专家评语的问题,建立了基于证据理论的深基坑工程施工风险综合评价方法。首先,在风险识别的基础上建立深基坑工程施工风险评价指标体系;然后,提出基于证据理论的风险综合评价模型,利用层次分析法确定指标的权重,根据专家评语计算指标mass函数,通过线性加权法对指标mass函数进行合成,建立了基于风险等级信度的决策规则。通过实例分析验证了方法的合理与实用性,此方法可为其它同类工程提供借鉴。

基于云化物元模型的供水管网抗震服务功能评价

以震后供水管网的节点供水压力和流量作为供水管网抗震服务功能综合评价的指标体系,针对供水管网抗震服务功能评价中存在不确定性的特点,全面考虑节点压力和流量抗震服务功能分级边界信息的随机性和模糊性,结合云模型的不确定推理特性和可拓学的物元理论兼具定性、定量分析的优点,提出了基于云化物元耦合模型的供水管网抗震服务功能评价方法.该方法通过云模型表达物元的事物特征值,建立标准云物元与计算特征云物元之间的关联函数,采用模糊等级特征值实现对供水管网抗震服务功能等级的判别.算例分析验证了该方法的优越性和有效性.

埋地管道-场地地震反应振动台试验研究的场地响应

基于多子台台阵系统,北京工业大学于近期开展了多点地震动输入、不同场地条件下埋地管道振动台试验。试验中连续体模型箱固定于3个振动台台面上,相邻台面上的箱体能在水平双方向(纵向、横向)相对运动;3个振动台相互独立,通过分别对3个振动台输入各自的加速度记录实现了多点地震动输入。本文针对其中的横向水平地震激励作用下的场地响应进行研究,分析了一致和非一致地震作用下有无埋地管线时的场地地震响应规律。试验结果表明,非一致激励作用将增大场地土体的相对位移,致使相邻地震动输入点间场地土体受到剪切作用;随着输入地震动强度的增加,场地土体的一阶固有频率持续降低,阻尼比不断增大;非自由场的阻尼比、一阶固有频率等参数略大于自由场。

多点非一致激励下埋地管道多台阵振动台试验方案研究

针对多点非一致激励下埋地管道的破坏特性,首次设计并开展了多点非一致激励下埋地管道的三台阵振动台试验。首先根据试验条件及试验目的,通过专项研究确定了整个模型体系的相似比,设计了适用于长线型地下结构多台阵振动台试验的悬挂式连续体模型箱,确定了传感器的布置位置;其次对模型材料的选取、地震动输入及试验加载方案进行分析设计。最后,利用试验数据分析了模型箱的动力特性及边界效应,结果表明,对多点非一致激励下埋地管道振动台模型试验的设计方案是合理的。该研究为顺利开展多点非一致激励下埋地管道振动台试验奠定了基础,对同类试验也有一定的参考价值。