基于大數(shù)據(jù)分析的城市地下管線地震安全性分析

周永波

（山東正元地球物理信息技術(shù)有限公司,濟南 250000）

0 引言

燃氣供應(yīng)系統(tǒng)、城市供熱系統(tǒng)、城市供水系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等等,在當(dāng)前社會中,所有工程系統(tǒng)都與百姓的生活和社會的穩(wěn)定息息相關(guān),因此這些工程系統(tǒng)也被稱為社會的生命線工程系統(tǒng)[1]。生命線工程系統(tǒng)通常是指對區(qū)域經(jīng)濟功能與現(xiàn)代城市功能可以起到維系作用的所有基礎(chǔ)性設(shè)施工程系統(tǒng),作為維持人類生活與現(xiàn)代城市生產(chǎn)的基礎(chǔ),生命線工程系統(tǒng)一旦失效,就會造成巨大的經(jīng)濟損失與大面積的社會困難[2]。而生命線工程系統(tǒng)作為維系社會功能、區(qū)域經(jīng)濟以及現(xiàn)代城市的基礎(chǔ)性系統(tǒng)與工程設(shè)施,其典型對象涵蓋著社會生活的方方面面,在遭遇風(fēng)暴、地震等強烈災(zāi)害襲擊時,生命線工程系統(tǒng)的受損會導(dǎo)致區(qū)域、城市經(jīng)濟功能與社會功能的癱瘓,特別是地震災(zāi)害,會對生命線工程系統(tǒng)的運行造成不可估量的影響與破壞[3]。城市越發(fā)達、規(guī)模越大,對生命線工程系統(tǒng)就會有越大的依賴性。在發(fā)生地震的區(qū)域,沒有進行抗震設(shè)計的那些系統(tǒng)對城市是一種潛在的巨大威脅,發(fā)生地震時,隨時可能使整個城市遭受巨大的人員損失與財產(chǎn)損失[4]。這個問題已經(jīng)在上世紀發(fā)生的多次大型地震震害中得到了十分充分的證明。

而城市地下管線作為生命線工程系統(tǒng)中最為重要的組成部分,在城市現(xiàn)代化的進程中起到了重要作用。影響城市地下管線安全性的主要因素就是強烈災(zāi)害,其中地震作用的破壞性最強[5]。對地震過程中城市地下管線的破壞規(guī)律進行研究已經(jīng)成為提升城市地下管線抗震性能的主要手段,也是城市防災(zāi)減災(zāi)的主要手段之一。而城市地下管線由于有土包圍,因此其地震作用的管線震動特性與地上結(jié)構(gòu)存在很大差異,具備獨特的特點。針對這種特性,深入分析城市地下管線的地震安全性,提出一種基于大數(shù)據(jù)分析的城市地下管線地震安全性分析方法。

1 設(shè)計基于大數(shù)據(jù)分析的城市地下管線地震安全性分析方法

1.1 建立城市地下管線有限元模型

通過有限元分析軟件：ANSYS對城市地下管線實施有限元建模,其中地下管線直管部分采用可以改變方向的管道,在改變方向處,通過彎管對直管進行連接,而地下管線接頭處采用水泥鋼絲網(wǎng)砂漿對接口進行抹帶,管道則選取C30 混凝土[6]。建立城市地下管線的有限元模型前,首先假設(shè)城市地下管線的地面運動屬于平動并且不存在轉(zhuǎn)動分量,并且管道屬于介質(zhì)性質(zhì)均勻的連續(xù)管道。

將城市地下管線簡化為處于彈性地基之上的連續(xù)梁對其進行分析,通過分布均勻的土彈簧對管道受到的土介質(zhì)作用進行模擬,并且土體與管道處于共同運動狀態(tài)[7]。

選取實體單元 solid65作為管道模型的管道單元；將土體的運動簡化為阻尼器與彈塑性彈簧的組合,選取彈簧單元combin14 作為土體單元,利用“m”法可以獲取其剛度系數(shù)[8]。具體如下式：

其中,K代表土彈簧的整體剛度系數(shù)；代表管周土體的具體“m”值；b代表土彈簧在水平向的具體計算間距；z代表土彈簧在垂直向的具體計算間距；h代表管道的埋深[9]。其中,土體的“m”值具體如表1所示。

表1 土體的m值Table 1 m value of soil

而城市地下管線的材料特性與尺寸特性如表2所示[10]。

表2 城市地下管線的材料特性與尺寸特性Table 2 Material characteristics and dimension characteristics of underground pipelines in cities

城市地下管線的網(wǎng)格劃分方式如下:壁厚方向共劃分兩層單元；直管段的網(wǎng)格采取稀疏分布網(wǎng)格；而彎管段則采取細致分布網(wǎng)格；劃分的實體單元共3200個,彈簧單元共400個[11]。構(gòu)建的城市地下管線有限元模型具體如圖1所示。

圖1 構(gòu)建的城市地下管線有限元模型Fig.1 Finite element model of urban underground pipeline

完成有限元模型的構(gòu)建后,需要通過人工邊界的建立來對連續(xù)介質(zhì)發(fā)生的阻尼作用進行模擬,以確保地震波在穿越城市地下管線時不被反射,因此建立一個彈-粘性人工邊界,利用該邊界計算地震作用下的地震作用下動力反應(yīng)[12]。

1.2 城市地下管線地震位移響應(yīng)分析

利用構(gòu)建的城市地下管線有限元模型對城市地下管線進行地震位移響應(yīng)分析,首先需要對城市地下管線實施模態(tài)分析,獲取其振動特性[13]。利用子空間法對城市地下管線結(jié)構(gòu)的周期與固有頻率進行計算,獲取如表3的數(shù)據(jù)[14]。通過獲取數(shù)據(jù)描述城市地下管線的振型,共包括六階振型,完成地下管線的模態(tài)分析。

（2）不確定性。企業(yè)財務(wù)風(fēng)險的發(fā)生是一種概率事件，對于風(fēng)險是否發(fā)生或是具有的發(fā)生時間都無法準確預(yù)計。并且財務(wù)風(fēng)險受企業(yè)內(nèi)部和外部諸多因素的影響，增加了財務(wù)風(fēng)險發(fā)生的不確定性。

表3 城市地下管線結(jié)構(gòu)的周期與固有頻率Table 3 Period and natural frequency of urban underground pipeline structure

接著選取地震位移響應(yīng)分析的場地,場地的具體類別如表4所示。

表4 場地的具體類別Table 4 Specific categories of the site

并繪制城市地下管線的地震響應(yīng)譜,其縱坐標選擇地下管線質(zhì)點的最大反應(yīng)；其橫坐標選擇地下管線體系的自振周期[15]。對各種周期的地下管線單自由度體系輸入同一地震波,并按照各種阻尼比對其進行計算,即可獲得城市地下管線的地震響應(yīng)譜,具體如圖2所示。

圖2 城市地下管線的地震響應(yīng)譜Fig.2 Seismic response spectrum of urban underground pipelines

其中,αmax與Tg的選取具體如表5所示。

表5 Tg與αmax的選取Table 5 Selection of Tg and αmax

為方便地震位移響應(yīng)分析,將地震響應(yīng)譜劃分為3段,具體如下式：

其中,Tg為最優(yōu)時間值,對城市地下管線進行地震位移響應(yīng)分析,獲取城市地下管線節(jié)點的具體位移值,如表6所示[16]。

表6 城市地下管線節(jié)點的具體位移值Table 6 Specific displacement value of urban underground pipeline node

1.3 城市地下管線地震安全性分析

根據(jù)城市地下管線的地震位移響應(yīng)分析結(jié)果,基于大數(shù)據(jù)分析對城市地下管線進行地震安全性分析。首先獲取地震位移響應(yīng)分析結(jié)果中城市地下管線地震安全性的大數(shù)據(jù)[171]。也就是構(gòu)建地震下的土-管互相作用模型,具體如圖3所示。

圖3 構(gòu)建地震下的土-管互相作用模型Fig.3 Construction of soil-pipe interaction model under earthquake

將各種烈度下的地震波天津波數(shù)據(jù)與地震位移響應(yīng)分析結(jié)果導(dǎo)入地震下的土-管互相作用模型中,獲取多種烈度的地震波作用下,土壤與管道之間的動力響應(yīng)大數(shù)據(jù),并根據(jù)這些動力響應(yīng)大數(shù)據(jù),獲取多種烈度的地震波作用下,土壤與管道之間的動力響應(yīng)曲線,具體如圖4、圖5所示[18]。度來劃分,地震烈度8度以下,城市地下管線可以保持良好的地震安全性；地震烈度8度以上,會出現(xiàn)管道小直徑斷裂的情況,使地震安全性受到影響；而地震烈度9度以上,則會出現(xiàn)管道大直徑斷裂的情況,地震安全性較低[19]。可以說城市地下管線的地震安全性隨著地震烈度的升高而逐漸降低[20]。

圖4 橫向動力響應(yīng)曲線Fig.4 Transverse dynamic response curve

圖5 縱向動力響應(yīng)曲線Fig.5 Longitudinal dynamic response curve

2 實驗研究與分析

2.1 實驗方法與流程

利用基于大數(shù)據(jù)分析的城市地下管線地震安全性分析方法對城市地下管線的地震安全性進行分析實驗。首先隨機選取一段城市地下管線,實驗城市地下管線特性以及土體特性如表7所示。

表7 實驗城市地下管線特性以及土體特性Table 7 Characteristics of underground pipeline and soil in experimental city

而實驗城市地下管線的計算參數(shù)均服從正態(tài)分布,其具體計算參數(shù)如表8所示。

表8 實驗城市地下管線的計算參數(shù)Table 8 Calculation parameters of underground pipeline in experimental city

接下來測量實驗城市地下管線接口的允許開裂拉力與允許變形拉力,其管口的接口做法包括膠卷自應(yīng)力灰、膠圈石棉灰、自應(yīng)力水泥以及石棉水泥,對應(yīng)的測量數(shù)據(jù)如表9所示。

表9 對應(yīng)的測量數(shù)據(jù)Table 9 Corresponding measurement data

將城市地下管線的相關(guān)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)大數(shù)據(jù)進行城市地下管線的地震安全性分析。為了保證實驗結(jié)果的有效性,將傳統(tǒng)城市地下管線地震安全性分析方法與本文設(shè)計的基于大數(shù)據(jù)分析的城市地下管線地震安全性分析方法共同進行對比實驗,比較各個城市地下管線地震安全性分析方法的放大擬合性能,通常放大擬合性能的判斷依據(jù)為放大擬合圖形的擬合密集性,放大擬合圖形的擬合密集性越高,則證明其放大擬合性能越強。

2.2 實驗結(jié)果分析

傳統(tǒng)城市地下管線地震安全性分析方法的放大擬合性能實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 傳統(tǒng)方法的放大擬合性能實驗結(jié)果Fig.6 Experimental results of magnification fitting performance of traditional methods

而基于大數(shù)據(jù)分析的城市地下管線地震安全性分析方法的放大擬合性能實驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 本文方法的放大擬合性能實驗結(jié)果Fig.7 Experimental results of magnification fitting performance of this method

根據(jù)圖6與圖7的放大擬合性能實驗結(jié)果可知,傳統(tǒng)城市地下管線地震安全性分析方法放大擬合圖形的擬合密集性低于本文提出的基于大數(shù)據(jù)分析的城市地下管線地震安全性分析方法,也就是本文方法的放大擬合性能優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

3 結(jié)束語

基于大數(shù)據(jù)分析的城市地下管線地震安全性分析方法實現(xiàn)了放大擬合性能的提升,對于城市地下管線抗震性能的全面提升具有重要意義。