基于模糊聚類的過水隧洞渡槽抗震安全性評價方法

王瑞麗

(韶關(guān)市華源水電建設(shè)有限公司,廣東 韶關(guān) 512026)

0 引 言

過水隧洞渡槽是水工建筑物的基礎(chǔ)設(shè)施,過水隧洞渡槽的抗震強度是水利工程設(shè)施安全性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。通過構(gòu)建過水隧洞渡槽的抗震評價模型,分析過水隧洞渡槽的抗震效能和力學(xué)參數(shù),結(jié)合應(yīng)力參數(shù)模擬方法,對過水隧洞渡槽的抗震性能進行評價分析,以提高過水隧洞渡槽的抗震安全性和穩(wěn)定性,過水隧洞渡槽抗震安全性評價方法的相關(guān)研究受到人們的極大關(guān)注［1］。

過水隧洞渡槽抗震安全性評價過程,需要結(jié)合在地震脈沖和沖擊波作用下的應(yīng)力參數(shù)分析,采用柔性和剛性力學(xué)相約束的方法,利用有限元結(jié)構(gòu)分析,進行過水隧洞渡槽抗震安全性評價和可靠性分析［2］。文獻［3］中提出基于模糊理論的混凝土結(jié)構(gòu)建筑抗震性能優(yōu)化設(shè)計,分析了混凝土結(jié)構(gòu)建筑的雙向板荷載-變形關(guān)系,結(jié)合預(yù)應(yīng)力參數(shù)評價,進行過水隧洞渡槽抗震安全性評價,但采用該方法進行過水隧洞渡槽抗震性能評價的模糊度較大,可靠性不好。文獻［4］中提出BIM模型的建筑抗震強度預(yù)估系統(tǒng)設(shè)計方法,設(shè)計相應(yīng)的抗震強度預(yù)估系統(tǒng),結(jié)合硬件和軟件層開發(fā),實現(xiàn)抗震強度預(yù)估,但該方法的環(huán)境適用性不好。

針對上述問題,本文提出基于支撐有限元模擬分析和模糊聚類的過水隧洞渡槽抗震安全性評價方法。首先通過阻尼耗能支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)分析,建立過水隧洞渡槽抗震評價的約束對象參數(shù)模型;然后根據(jù)過水隧洞渡槽水平與豎向接縫對地震環(huán)境下整體結(jié)構(gòu)參數(shù)進行分析;最后進行試驗測試,展示本文方法在提高過水隧洞渡槽抗震安全性方面的可靠性和優(yōu)越性。

1 過水隧洞渡槽抗震安全性評價的評估模型和參數(shù)分析

1.1 過水隧洞渡槽抗震安全性評估模型

以廣東韶關(guān)某工程為例,對巖洞室穩(wěn)定性進行分析。為了實現(xiàn)基于模糊聚類的過水隧洞渡槽抗震安全性評價,結(jié)合裝配整體式結(jié)構(gòu)連接設(shè)計,通過位移角的變化規(guī)律分析,建立過水隧洞渡槽抗震安全性評價的套筒灌漿連接分析模型。通過對套筒灌漿連接構(gòu)件的裝配式剪力分析［5］,得到過水隧洞渡槽抗震安全性評價及抗震能力指標(biāo),公式如下:

(1)

式中:Is為過水隧洞渡槽抗震能力指標(biāo);μj為某一方向第j組過水隧洞渡槽抗震構(gòu)件的強度標(biāo)準值;Aj為某一方向第j組預(yù)制剪力墻豎向鋼筋連接面積;W′為錨搭接連接和套筒灌漿連接的層間總重力;F為建筑延性指標(biāo)。

當(dāng)F為0.1時,得到模型材料、設(shè)計參數(shù)、構(gòu)造措施共同約束下的安全性評價約束因子,公式如下:

(2)

式中:λn為過水隧洞渡槽抗震構(gòu)件相同現(xiàn)澆剪力的影響系數(shù);fvk為過水隧洞渡槽抗震構(gòu)件的動態(tài)標(biāo)準值;ω為豎向接縫對整體結(jié)構(gòu)的輸出重力荷載;Ac、Aw分別為阻尼支撐的材料黏滯系數(shù)及支撐滯回特性參數(shù);∑Af為動力荷載作用下的出力特性和;n為殘余變形控制的模量比。

通過阻尼耗能支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)分析,建立過水隧洞渡槽抗震評價的約束對象參數(shù)模型,得到抗震結(jié)構(gòu)性能參數(shù)分布,見表1。

輸入地震波加速度峰值,采用層次分析法,確定過水隧洞渡槽抗震評價指標(biāo)的權(quán)重,得到過水隧洞渡槽抗震的速度和位移響應(yīng)等參數(shù)分布,見表2。

建立過水隧洞渡槽抗震評價的約束對象參數(shù)模型,通過支撐有限元模擬分析和受力階段支撐恢復(fù)力分析［6］,得到三級指標(biāo)對綜合抗震能力(一級指標(biāo))的權(quán)重,見圖1。

表1 結(jié)構(gòu)抗震性能的評估指標(biāo)體系

表2 過水隧洞渡槽抗震評估指標(biāo)體系及分布權(quán)系數(shù)

圖1 綜合抗震能力指標(biāo)系數(shù)

1.2 抗震性評價

通過阻尼耗能支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)分析,建立過水隧洞渡槽抗震評價的約束對象參數(shù)模型,采用抗震性能的穩(wěn)態(tài)評價方法,進行過水隧洞渡槽抗震評價的指標(biāo)權(quán)重解析,得到各層地震作用在基底剪力,公式如下:

(3)

選取現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的阻尼比參數(shù)分析,結(jié)合比例度(PGA)分析,得到過水隧洞渡槽在地震動強度指標(biāo)下的動態(tài)分布參數(shù)集。利用過水隧洞渡槽中整體剛度擬合分析模型,計算小震(PGA=0.07g)、中震(PGA=0.2g)和大震(PGA=0.4g)作用過水隧洞渡槽的3階振型曲線,見圖2。

圖2 過水隧洞渡槽的3階振型曲線

(4)

引入荷載作用下的出力特性,采用殘余變形控制方法,得到過水隧洞渡槽的抗震輸出軸向應(yīng)力和應(yīng)變彈性模量關(guān)系,公式如下:

(5)

其中:

(6)

在上述模型參數(shù)設(shè)計的基礎(chǔ)上,采用模糊聚類分析方法,進行過水隧洞渡槽抗震安全參數(shù)融合聚類分析。通過模糊聚類性能參數(shù)分析,建立抗震安全評價的組合控制模型。

2 過水隧洞渡槽抗震安全性評價優(yōu)化

采用Bouc-Wen 模型,構(gòu)建過水隧洞渡槽的阻尼耗能支撐模型,引入復(fù)雜的非線性滯回特性方程,結(jié)合模糊信息聚類,考慮到磁流變液接觸的有效面積約束條件［8］,得到過水隧洞渡槽的承載力之和,公式如下:

(7)

式中:mb、ms分別為正弦激勵和過載激勵參數(shù);ub為過水隧洞渡槽內(nèi)力與切線剛度;kb為最大恢復(fù)力;cb為支撐雙 Bouc-Wen 模型參數(shù);us為負載參數(shù);cs為過水隧洞渡槽彈性內(nèi)力增量。

地震沖擊作用下,自復(fù)位阻尼耗能屈服的模糊聚類狀態(tài)方程為:

(8)

式中:dei為模糊聚類中心參數(shù)。

結(jié)合最大層間殘余變形分析,過水隧洞渡槽的抗震性預(yù)測輸出為:

(9)

式中:ρ為不同地震波作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力;xi為BRB支撐和阻尼耗能支撐的承載能力;j為地震波作用下屈服;n為地震波編號。

綜上分析,根據(jù)過水隧洞渡槽水平與豎向接縫對地震環(huán)境下整體結(jié)構(gòu)參數(shù)分析,采用最大層間位移角和結(jié)構(gòu)延性系數(shù)的組合評價方法,實現(xiàn)過水隧洞渡槽的抗震安全性評價［9-10］,實現(xiàn)流程見圖3。

圖3 過水隧洞渡槽的抗震安全性評價的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)流程

3 試驗測試

測試本文方法在實現(xiàn)過水隧洞渡槽的抗震安全性評價的應(yīng)用性能,各試件的開裂與峰值荷載見表3。

根據(jù)表3中各試件開裂與峰值荷載的分布測試,進行過水隧洞渡槽的抗震性評價,得到有限元應(yīng)力分析結(jié)果,見圖4。

表3 各試件的開裂與峰值荷載

圖4 有限元應(yīng)力分析結(jié)果

分析圖4可知,本文方法能有效模擬過水隧洞渡槽的抗震效能,應(yīng)變模擬云圖及鋼筋 Mises應(yīng)力云圖的誤差范圍在0.44%～0.75%。根據(jù)應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn),抗震效能評價的可靠性均值94.7%,標(biāo)準差0.033。

測試在不同地震強度下過水隧洞渡槽的安全評價結(jié)果,見圖5-圖7。

圖5 小震條件下過水隧洞渡槽抗震效能

由圖5-圖7可知,采用本文方法進行抗震安全效能評價,各模型節(jié)點水平滑移發(fā)展具有相同規(guī)律,提高了評價的可靠性,提高了建筑的抗震能力。

4 結(jié) 語

通過分析過水隧洞渡槽的抗震效能和力學(xué)參數(shù),結(jié)合應(yīng)力參數(shù)模擬方法,進行過水隧洞渡槽的抗震性能評價分析。

為了提高過水隧洞渡槽的抗震安全性和穩(wěn)定性,本文提出基于支撐有限元模擬分析和模糊聚類的過水隧洞渡槽抗震安全性評價方法,建立過水隧洞渡槽抗震評價的約束對象參數(shù)模型,通過阻尼耗能支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)分析,采用抗震性能的穩(wěn)態(tài)評價方法,進行過水隧洞渡槽抗震評價的指標(biāo)權(quán)重解析。結(jié)果顯示,本文方法實現(xiàn)過水隧洞渡槽抗震評價的穩(wěn)定性較高,提高了抗震安全性評價效果,提高了過水隧洞槽的抗震性能。同時,該方法簡單實用、評價結(jié)果準確,具有實際應(yīng)用價值。