地下管道的震害預測模型及隨機可靠性分析

何雙華，宋 燦

(華北水利水電學院，河南 鄭州 450011)

地下管道的震害預測模型及隨機可靠性分析

何雙華，宋 燦

(華北水利水電學院，河南 鄭州 450011)

地下管線在地震作用下的變形受到多種復雜因素的影響，具有明顯的隨機性，影響對其可靠性分析時相關參數(shù)的取值.考慮地震作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，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影響的差異，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.

地下管道;預測模型;隨機變量;抗震可靠性

地下管線是城市供水、供氣、供電及供熱等生命線工程系統(tǒng)的基本組成部分，在國內外歷次大地震中，地下管道都遭受了不同程度的破壞.由于埋地管道在地震時的破壞機理較為復雜，震害程度受多種隨機因素的影響，故對其進行震害預測和可靠性分析時采用概率模型比確定性模型更好.以往多數(shù)文獻在進行管道抗震可靠性分析時，假定地震效應和結構抗力均為服從正態(tài)分布的隨機變量，與實際的地震作用及其效應統(tǒng)計參數(shù)不符.文中以地下管道在地震波作用下的接頭受損為主要破壞模式，同時考慮地震作用和管道抗力的隨機特性，建立了管道單元的隨機可靠度分析模型，比較了采用不同概率分布模型的隨機變量進行管道抗震可靠性計算時的結果差異.

1 地下管道的位移反應分析

承插式地下管道的震害主要是由地震波引起的管道接口變形破壞，采用抗震規(guī)范中的波動反應分析法進行管道軸向變形計算，將沿地表層傳播的剪切波簡化為平面正弦彈性波［1－2］，設沿剪切波平面內土的波動形狀位移函數(shù)為

按波動理論，假定場地剪切波與管線成任意夾角φ行進，如圖1所示.

圖1 管道在剪切波作用下的變形

考慮管道與土體之間的相互作用，引入傳遞系數(shù)ξ，得到管道的軸向應變?yōu)?/p>

管道的抗震計算取半個視波長為計算單元，對于承插式管道，假定管道在半個視波長內的軸向變形由該范圍內所有接口共同等效承擔，其等效工作系數(shù)取0.64，建立各種接口形式管道的破壞界限條件［3］，

2 地下管道抗震可靠性分析

2.1 管道震害狀態(tài)劃分和極限方程的建立

一般采用管道接頭變形是否超過接頭允許變形來判斷地下管道破壞情況.以管道接頭在地震波作用下的變形反應S與容許開裂變形極限抗力R1和容許滲漏變形極限抗力R2的相對關系來定義管道3種互不相容的破壞狀態(tài)為:基本完好狀態(tài)，S＜R1;中等破壞狀態(tài)，R1≤S≤R2;嚴重破壞狀態(tài)，S＞R2.管線接頭的抗力與變形因所用材料、施工方式等的不同而存在較大的隨機性，不同類型管道的接頭界限變形可參考文獻［4］.

在已知管道地震作用效應和管道允許變形的基礎上，管道抗震可靠度原則上可由常規(guī)的結構抗震可靠度分析方法給出.取管道接頭在地震作用下的變形S和接頭允許變形R作為結構功能函數(shù)的基本變量，并考慮極限狀態(tài)方程為線性方程，得到功能函數(shù)為

考慮管道的3種破壞狀態(tài)，式(4)中分別代入R1和R2，得到基本完好和中等破壞的臨界狀態(tài)方程Z1=R1－S及中等破壞和嚴重破壞的臨界狀態(tài)方程Z2=R2－S.顯然，當Z1＞0時，管道單元處于基本完好狀態(tài);當Z2＜0時，管道單元處于嚴重破壞狀態(tài);當Z1＜0∩Z2＞0時，管道單元處于中等破壞狀態(tài).

2.2 管道概率預測模型

管道單元嚴重破壞的概率

管道單元中等破壞的概率

2.3 隨機變量為非正態(tài)分布的可靠度計算

對于隨機變量S和R為非正態(tài)分布時的情形，需進行當量正態(tài)化處理.即在設計驗算點x*處令原隨機變量的分布函數(shù) ()F x和概率密度函數(shù) ()f x與當量正態(tài)隨機變量的分布函數(shù)和概率密度函數(shù)相等，求出相應正態(tài)分布的均值μN和標準差σN［6］.

上述公式中，Φ(·)為標準正態(tài)分布函數(shù)，Φ－1(·)為標準正態(tài)分布函數(shù)的反函數(shù)，φ(·)為標準正態(tài)分布的概率密度函數(shù).

根據(jù)文獻［7］的分析結果，地震峰值加速度反應譜的概率分布為極值Ⅰ型時誤差最小，可認為地震作用和地震作用下的結構反應概率分布符合極值Ⅰ型分布.由于地震作用下管道的變形是由地震作用引起的地面運動位移和管道變形傳遞系數(shù)等構成，而且在管道變形的諸因素中，地震作用引起的地面運動位移占主要.所以，對于在某一強度地震作用下管道變形的概率分布，采用極值分布較正態(tài)分布要合理些.供水管道不同破壞狀態(tài)下的允許變形則都采用正態(tài)分布.所以，下面重點說明這兩種分布的當量正態(tài)變換.假設隨機變量服從對數(shù)正態(tài)分布，其均值和標準差分別為μ和σ，先根據(jù)下式求出其對數(shù)的均值和標準差

然后代入式(8)和式(9)得到設計驗算點處原對數(shù)正態(tài)分布隨機變量的均值和標準差分別為

對于極值Ⅰ型分布隨機變量，其分布函數(shù)和概率密度函數(shù)［8］分別為

將其設計驗算點的分布函數(shù)和概率密度函數(shù)代入式(8)和式(9)可得到極值Ⅰ型分布隨機變量的均值和方差.

對非正態(tài)分布隨機變量進行當量正態(tài)變換后，可根據(jù)可靠度相關理論，進一步計算可靠度指標及可靠或失效概率，從而得到管道處于不同破壞狀態(tài)的概率.

3 算例分析

以管壁厚度τ=60 mm的埋地管道為例，其材料為鑄鐵，彈性模量E=1.1×105MPa，場地特征周期 Tg=0.3 s，剪切波速 Vsp=350 m/s，kh=0.2，只考慮地震波的作用，計算不同直徑的管道在不同水平地震作用下的可靠概率.分析管道允許變形服從正態(tài)分布、實際地震作用下的管道變形分別服從正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布和極值Ⅰ型分布時對管道可靠概率的影響.管道可靠概率計算結果如圖2—5所示.

由圖2—4可以看出，同一水平地震作用下，當同一直徑管道的實際變形服從對數(shù)正態(tài)分布時，其可靠性概率最大，服從極值Ⅰ型分布時管道可靠概率次之，服從正態(tài)分布時管道可靠概率最小，結果差異較為明顯.根據(jù)文獻［8］分析可知，對于在某一強度地震作用下管道變形的概率分布，采用極值分布較正態(tài)分布要合理些，供水管道不同破壞狀態(tài)下的允許變形則都采用正態(tài)分布.因此，在進行管道單元抗震可靠性分析時，不能簡單假定管道的實際變形和允許變形都服從正態(tài)分布，進而影響后續(xù)單根管線及管網(wǎng)系統(tǒng)的抗震可靠性分析結果.

圖5所示的管道單元抗震可靠性分析結果是在管道允許變形服從正態(tài)分布、管道實際變形服從極值Ⅰ型分布的情況下得出的.由圖5可知，管道單元的可靠概率隨地震烈度的增加而減小，隨管道直徑的增大而增大，且地震烈度越大，小管徑和大管徑管道的可靠概率差異越大，這與對管道震害資料的分析結果相一致.

4 結語

根據(jù)地下管道的震害特征，以承插式管道為例，進行管道地震反應分析，考慮地震作用效應和管道抗力的隨機特性，建立了管道單元的概率預測模型，應用隨機可靠性理論分析管道的抗震可靠性.

1)在進行管道單元隨機可靠度分析計算時，同一水平地震作用下，采用不同概率分布模型的管道隨機變量所得結果的差異較大，不能簡單按照以往文獻中管道的實際變形和允許變形均服從正態(tài)分布的假定來分析，進而影響后續(xù)單根管線及管網(wǎng)系統(tǒng)的抗震可靠性計算結果的準確性和合理性.

2)根據(jù)管道允許變形服從正態(tài)分布、管道實際變形服從極值Ⅰ型分布得出的管道單元抗震可靠性分析結果可知:管道單元的可靠概率隨管道直徑的增大而增大;且地震烈度越大，小管徑和大管徑管道的可靠性概率差異越大.這與以往對管道震害資料的分析結果相一致.這一結論進一步說明了在進行管道單元隨機可靠度分析時，采用管道允許變形服從正態(tài)分布、實際變形服從極值Ⅰ型分布的計算結果的正確性.

因此，考慮地震作用效應和管道抗力的隨機特性，進行管道抗震可靠性預測時，管道的允許變形和實際變形應分別采用正態(tài)分布和極值Ⅰ型分布進行計算和分析，而非簡單假定二者同時服從正態(tài)分布.

［1］李杰.生命線工程抗震—基礎理論與應用［M］.北京:科學出版社，2005.

［2］Wang R L，Cheng K M.Seismic response behavior of buried pipelines［J］.Pressure Vessel Technology，ASME，1979，101:21 －30.

［3］謝志平，謝宇.給水工程抗震和震后給水［M］.北京:地震出版社，1996.

［4］韓陽.城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)的地震可靠性研究［D］.大連:大連理工大學，2002.

［5］李杰，李國強.地震工程學導論［M］.北京:地震出版社，1992.

［6］武清璽.結構可靠性分析及隨機有限元法［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

［7］高小旺，王菁，李荷，等.供水管線震害預測方法［J］.建筑科學，1998，14(3):13 －18.

［8］高小旺，鮑靄斌.地震作用的概率模型及其統(tǒng)計參數(shù)［J］.地震工程與工程振動，1986，5(1):14 －22.

An Analysis of the Seismic Damage Forecasting Model of Buried Pipeline and Its Random Reliability

HE Shuang-hua，SONG Can
(North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

Buried pipeline’s deformation under earthquake is influenced by many complicated factors，which features obvious randomness，and thus the value of the relevant parameters in reliability analysis can be affected.With regard to seismic action effect and the randomness of pipe resistance，a probabilistic forecasting model of buried pipeline unit was built in this paper.Then the paper compared the influences of the different probability distribution model that pipeline random variables were used on the aseismic reliability.At the end，the paper suggested that the allowable deformation and the actual deformation of the pipeline should respectively employ normal distribution and extreme I type distribution for calculating.

buried pipeline;forecasting model;random variable;aseismic reliability

1002－5634(2012)02－0010－04

2012－01－15

華北水利水電學院高層次人才啟動基金項目.

何雙華(1982—)，女，河南周口人，講師，博士，主要從事生命線地震工程方面的研究.

(責任編輯:喬翠平)