考慮時變效應的水工金屬結構安全風險評價模型

李洪煊,蔡 新,徐錦才,易劍剛,楊光明

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇南京 210098;2.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098;3.南京市市政設計研究院,江蘇 南京 210008;4.河海大學力學與材料學院,江蘇南京 210098;5.水利部農村電氣化研究所,浙江杭州 310012)

水工金屬結構在水利工程中擔負著防洪、灌溉、引水發(fā)電等多項控制性任務,其安全運行是保證水利工程發(fā)揮巨大經濟效益、社會效益的重要條件.截至2009年,我國已建成水庫86 353座,其中病險水庫30 413座,占水庫總數的35%[1],金屬結構安裝量接近400萬t[2].大部分病險水庫的金屬結構均已接近設計基準期,結構破壞嚴重,因此研究水工金屬結構安全風險評價體系具有重要的理論意義和實用價值,特別是對病險水庫的金屬結構.

傳統(tǒng)水工金屬結構安全風險評價主要采用單一安全系數法,其具有半理論半經驗性質.基于可靠度的安全風險評價法是一種新的安全評價方法,該法能給予水工金屬結構統(tǒng)一的安全度評價標準.水工金屬結構安全風險評價主要包括安全性、適用性和耐久性.文獻[2-6]從安全性和耐久性方面提出了閘門和啟閉機的安全評價體系,該體系通過分層考慮各個子目標的可靠度,進而得到水工金屬結構整體可靠度.

在設計基準期內,影響水工金屬結構安全性的主要因素是動態(tài)變化的,即其安全性具有時變效應.荷載的時變效應主要體現(xiàn)在統(tǒng)計參數的動態(tài)變化上;抗力的時變效應主要由材料內部作用和周邊環(huán)境作用引起.考慮水工金屬結構的時變效應,以可靠度為基本度量方法,以模糊聚合為基本手段,本文提出一種操作性更好的水工金屬結構安全風險評價動態(tài)模型,并以水工閘門為例進行分析,可為病險水庫水工金屬結構更新改造和農村小水電站的安全運行提供參考.

1 水工金屬結構安全風險評價

1.1 水工金屬結構安全影響因素

文獻[2]通過對21個工程失事的44扇弧形閘門和8個工程失事的平面閘門的事故原因剖析,得出影響水工金屬結構安全性的主要因素有強度、剛度、穩(wěn)定性、振動、設計、上下游流態(tài)、焊縫質量、金屬材質、空蝕氣蝕、銹蝕和工程管理等因素.

1.2 安全風險評價指標體系

1.2.1 評價指標體系的構建原則

a.規(guī)范性原則.評價指標必須在國家相關規(guī)范、規(guī)程、標準的基礎上進行擬定.

b.全面性原則.評價指標應能完整地反映出金屬結構安全性的各項特征.

c.層次性原則.評價指標應力求條理清晰,層次鮮明.

d.獨立性原則.評價指標應能獨立地反映水工金屬結構的工作性態(tài).

e.可操作性原則.評價指標應能被現(xiàn)有的方法所度量.

1.2.2 評價指標體系的構建

通過對水工金屬結構安全影響因素的分析研究,結合安全風險評價的基本原則,構造出單目標、多層次的水工金屬結構安全風險評價體系框架,如表1所示.以水工金屬結構整體可靠度為總目標,將總目標分解為安全性、適用性和耐久性3項子目標.每項子目標再分為一級指標和二級指標.

表1 水工金屬結構安全風險評價體系框架Table 1 Safety risk assessment model of hydraulic metal structures

1.3 水工金屬結構安全風險評價方法

1.3.1 評價指標賦權方法

評價指標體系的權重賦值方法可采用層次分析法(analytic hierarchy process,簡稱 AHP 法)、Delphi法、專家評判法、頻數統(tǒng)計分析法.其中層次分析法得出的權重分配具有一定的理論基礎,較以往采用的經驗法更能反映實際情況,可減少人為因素的影響,使得權重分配具有較高的真實性和合理性.本文采用層次分析法來確定各指標體系的權重,其具體步驟如圖1所示.實際指標賦權時可由多位專家分別對評價指標進行賦權,再綜合各個專家不同的權重,最后得到考慮多個專家不同專業(yè)水平的權重向量.

1.3.2 二級指標可靠度計算方法

工程結構可靠度的計算方法主要有蒙特卡羅法、均值一次二階矩法、JC法(因被國際安全度聯(lián)合委員會JCSS采用,故稱為JC法)、隨機有限元法和概率法等.水工金屬結構的強度、剛度、穩(wěn)定性等可靠指標的計算可采用JC法、隨機有限元法等,其他評價指標可采用等級評分法或頻數統(tǒng)計法.等級評分法是將二級指標劃分相應等級標準,標準的上下限對應相應的可靠度,進而通過直觀的等級評分換算出二級指標的可靠度,詳細計算方法見文獻[2,5,7-9].

圖1 層次分析法流程Fig.1 Flow chart for AHP

1.3.3 安全風險計算方法

由層次分析法計算出評價指標的權重后,考慮二級指標的可靠度,即可構建水工金屬結構安全風險模型:

式中:β——水工金屬結構的整體可靠度;n——子目標數,m——第i子目標的一級指標數,隨i的變化而變化;p——第i子目標的第j一級指標的二級指標數,隨i,j的變化而變化;Ri——子目標i的權重;Sij——子目標i的一級指標j的權重;Tijk——子目標i的一級指標j的二級指標k的權重;βijk——子目標i的一級指標j的二級指標k的可靠度.

1.3.4 敏度分析

對式(1)進行二級指標權重敏度分析,可知水工金屬結構安全性的主要影響因素及其失效模式,可為水工金屬結構的安全運行、除險加固排序、更新改造提供參考.

1.4 評價標準

參照文獻[10]中水工結構目標可靠指標(表2),根據水工金屬結構安全級別及破壞類型,當其整體可靠度小于表中相應數值時,結構不安全,需要更新改造或整體報廢;反之,結構安全.1.3.2節(jié)中等級評分法相應標準的上下限亦參考該標準.

表2 目標可靠指標Table 2 Object reliability indices

2 考慮時變效應的安全風險評價模型

水工金屬結構在長期使用過程中,影響其安全性的諸多因素將會隨時間變化,導致其可靠度改變,即水工金屬結構的安全可靠度具有明顯的時變特征.一方面,水工金屬結構的荷載作用隨時間變化,如閘門上下游水頭、啟閉機啟閉力、壓力鋼管內水壓力、溫度荷載等;另一方面,結構的抗力亦隨時間動態(tài)變化,如金屬結構的腐蝕、疲勞等.

考慮時變效應后水工金屬結構安全風險模型可改寫為

式中下標t表示時間為t時的指標值.考慮指標體系權重的變化旨在更加科學、合理、動態(tài)地評價水工金屬結構的安全性.

一般來說可靠度 βijk,t隨時間變化是一維或多維的隨機非平穩(wěn)過程,本文采用較為簡單的隨機過程模型,即:

式中:t0——水工金屬結構完建時間;φijk,t——二級指標的可靠度衰減函數.由于 βijk,t0在設計時已知,因此時變可靠度的確定歸結為 φijk,t的確定,φijk,t可取線性函數、指數函數和雙曲線函數等[11-13].

本文主要考慮水工金屬結構銹蝕對其可靠度的時變效應,參照文獻[13]構造衰減函數:

式中:tc——防腐措施的有效作用時間,a;v——平均腐蝕速率,mm/a;d0——構件的初始厚度,mm.

3 實例分析

某水庫工程是一座以防洪、灌溉為主,兼有發(fā)電等效益的綜合性四等工程.其中溢洪道共6孔,孔口凈寬14m,堰頂高程242.925m,設6扇14m×12.5m(寬×高)露頂式弧形鋼閘門,閘門設計水頭12m,閘門啟閉設備為6臺2×450kN固定卷揚式啟閉機,于1979年完成安裝,2004年完成金屬結構安全檢測.

對該溢洪道上弧形閘門進行安全檢測分析可知:邊、縱梁后翼緣板對接焊縫在板厚方向存在較多錯位;閘門底檻多為較重銹蝕,局部嚴重銹蝕,表面布滿銹斑、銹包或銹坑,局部密集成片分布;閘門泄水時存在劇烈振動;閘門整體為較重銹蝕,局部有嚴重銹蝕;所有受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷.

在計算水位下,主橫梁的最大折算應力、上下支臂臂桿最大軸向應力、6根小橫梁的最大應力均已超過材料相應的容許應力;邊縱梁最大應力均小于材料相應的容許應力.閘門上、下主橫梁最大撓度值均小于主橫梁撓度的容許值;閘門支臂彎矩作用平面內最大穩(wěn)定計算應力、支臂彎矩作用平面外最大穩(wěn)定計算應力均小于材料的容許應力.

綜合該弧形閘門詳細的安全檢測分析資料,結合表1所示安全風險評價體系,得出該弧形閘門安全風險評價體系內容如表3所示.

由表3可知,主要構件的正應力、剪應力、穩(wěn)定性和剛度對閘門整體可靠度影響較大,即這4個因素為閘門安全風險的主要影響因素;該弧形閘門整體可靠度為2.63,小于Ⅲ級安全級別的一類破壞的水工結構目標可靠指標2.7,故該弧形閘門整體可靠度不滿足規(guī)范要求,應對其相關部件進行更新改造或整體報廢.

對比安全檢測資料可知,傳統(tǒng)水工金屬結構安全評價方法只能得出閘門相應構件應力的安全系數,同一閘門不同構件其安全系數不一,閘門整體安全性無法度量.本文提出的單目標、多層次安全風險評價方法能夠統(tǒng)籌兼顧影響金屬結構安全性的各個因素,且能定量給出金屬結構整體可靠度,較之傳統(tǒng)安全系數法,評價結果更為全面合理.

表3 弧形閘門安全風險評價結果Table 3 Safety risk assessment results of radial gate

圖2 閘門可靠度的時變效應Fig.2 Time-varying effect of reliability of radial gate

由閘門安全檢測資料可知其平均銹蝕速率v=0.06mm/a,主梁厚度d0=25mm,閘門完建時刻可靠度為2.97(即影響閘門安全的各個因素都處于最有利狀態(tài)),則考慮時變效應的弧形閘門安全可靠度如圖2所示.由圖2可知:隨著閘門運行年限的增長,其可靠度呈線性下降趨勢;在t=24a時,其可靠度達到規(guī)范規(guī)定的最小值2.7,即閘門壽命為24a.通過構造動態(tài)可靠度,可以實時監(jiān)測閘門的安全可靠度,為閘門安全運行、檢修、壽命評估和更新改造提供依據.

4 結 語

本文模型將水工金屬結構安全風險評價從傳統(tǒng)的安全系數法發(fā)展到可靠度分析方法,基于可靠度的安全風險評價模型將更加科學并符合實際.實際評價過程中,二級指標可靠度的確定是該安全風險評價模型應用的關鍵,其中強度、剛度和穩(wěn)定性的可靠度計算可采用隨機有限元法、蒙特卡洛法或JC法;其他的安全評價因素主要采用等級評分法.隨著全國病險水庫金屬結構安全檢測和更新改造的進行,在掌握第一手資料的基礎上,通過理論分析和專家評判尋找構造出一種合適、精確的時變函數,評價結果將更為科學合理.

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