城市老旧燃气管网抗震可靠度分析
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作者: 孙富喜 孙川力
摘要：作者针对城市老旧燃气管网抗震可靠度分析做了一些理论和实践的探讨，主要包括城市供燃气管网系统抗震可靠度分析的涵义，并且对城市供燃气管网系统抗震可靠度分析的具体内容作了介绍。
关键词：燃气管网抗震可靠度分析
1、研究背景
生命线工程系统是维系现代城市功能与区域经济功能的基础性工程设施系统，它包括电力系统、交通系统、城市供水、供热、供燃气系统。作为生命线系统的重要组成部分，城市燃气管网担负着城市工业生产、生活供气的任务。在地震作用下，它的破坏不仅直接影响系统的功能，而且会造成严重的次生灾害。因此，为确保供燃气管网系统在地震作用下的安全，需对供燃气系统进行抗震可靠度进行分析 [1]。
2、城市供燃气管网系统抗震可靠度分析的涵义
城市供燃气管网系统由各种压力的燃气管网、燃气分配站、储气站、压送机站、调压计量站监控及数据采集系统等部分组成。它是城市生命线系统中的重要组成部分，担负着城市工业生产、生活供气的任务，是现代城市的动脉[2]。
城市供燃气管网系统的抗震性能和强震下的运行功能，可以从系统可靠度的角度进行研究分析。从一般意义上考察，包括系统可靠性的分析和优化两部分。系统可靠性的分析是系统优化的基础，而系统优化设计是系统可靠性研究的最终目的。
对于城市供燃气管网而言，系统抗震可靠性分析包括两个层次:管线的抗震分析和管网系统的可靠性分析。对于地下管线的抗震可靠性分析，国内外学者进行了大量的研究工作，主要方法包括:基于一次二阶矩理论的抗震可靠性分析方法和基于历史震害的经验统计方法。基于一次二阶矩理论的抗震可靠性分析方法一般利用管线地震反应分析方法获得管线的地震反应，然后根据接头破坏或者应力破坏模式提出地震作用下管线的极限状态方程，利用一次二阶矩方法分析获得管线抗震可靠度。
管线的抗震分析只是完成了单元层次的评价，以此为依托可以进行系统抗震性能总体评价。网络的连通可靠性分析是国际上通常采用的系统评价方法。基于连通可靠性的网络分析方法，总的来说主要有Monte-Carlo随机模拟算法和概率解析法。Monte-Carlo随机模拟算法的基本思想是利用概率论中的贝努里大数定律，通过大量的数值模拟，利用事件发生频率近似代替事件的发生概率。Monte-Carlo随机模拟算法仅适用于各种失效独立网络的可靠性分析，并且这一算法只能给出网络系统可靠度的近似值，计算精度难以估计。
3、城市供燃气管网系统抗震可靠度分析的具体内容
3.1、可靠度指数的计算方法
在理论上严格来说,结构的失效性应该用全概率来表示,但是,在实际上一般不这样做,因为很难得到结构参数的精确概率密度函数,同时计算全概率需做重积分,有时也是很困难的。Cornell将结构可靠度指数β定义为结构安全裕量方程的均值与标准差之比。对于非线性安全裕量方程,将其方程在均值处做Taylor级数展开,取其线性项计算方程的平均值和标准差。这即是通常所说的一次二阶矩法。在实际工程中结构参数的平均值和方差比较容易得到,因此这一方法曾得到广泛的应用。不过,对于安全裕量方程为非线性时,对于不同形式的等价安全裕量方程该法可能给出不同于后来发展的H-L法的解。H-L法不是依据安全裕量方程,而是依据破坏面来定义可靠度指数,对于非线性问题不在平均值处而是在破坏面上的设计点做级数展开,取其线性项求其均值和标准差,从而得到可靠度指数。从几何上看,在正则化空间,可靠度指数β就是和破坏面相切的球的半径。实际上也就是求坐标原点到破坏面的最短距离。对于n维正则化空间,用下式表示可靠度指数:
式中：Xi ，μi和σi 分别为第i个随机变量、平均值和标准值差。
需要指出,H-L法只适用于随机变量服从正态分布且线性独立无关情形。对于非正态随机变量情形,在用H-L法进行迭代计算过程中,同时需在设计点处做R-F变换,将非正态随机变量变换为正态分布,直到计算结果收敛(以Z*的稳定为标准)。当各随机变量相关时则需进行坐标变换,然后在线性独立且是标准正态分布的条件下,按H-L法计算可靠度指数。对用户来说这是相当烦杂的计算工作。
3.2、管道的抗震验算
直埋管道的抗震验算,在较早的时候,把管道看作是土体的一部份,像土体一样传播地震波,并且主要验算纵波在管道中引起的应力是否超过管材的强度。后来考虑到土和管道两者刚度的差异,把管道看作是地基梁来考虑它们之间的相互作用;同时认为,地震时埋设管道的损坏主要由于横波引起的地面位移和失稳所引起。管道的自振频率很高,地震引起的惯性力可以忽略不计。对于土体非失稳情况,管道的损坏主要是由于轴向的位移引起。基于上述考虑,在新的“室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范”中,对于承插式接头的埋地圆形管道在半个视波长内的轴向变位规定应满足下式要求:
式中 Δplk一半个视波长内管道在轴向位移量的标准值；
[ua]i―i种管道接头设计允许位移量；
Λc一半个视波长内管道接头协同工作系数，可取0.64；
n一半个视波长内管道接头总数；
γEH一水平向地震作用分项系数，取为1.3。
3.3、管道震害程度的划分
在给定的地区,对于不同的场地或不同的管道可能得到不同的失效概率,如何依据失效概率来评价管道可能出现的震害程度?对于设计者来说如何根据失效概率的大小和工程的重要性等因素来决定其设计水平?这些问题往往与失效概率和管道震害程度间的关系有关。
因为安全系数就是管道允许位移的平均值和地震引起的平均位移的比值,它和失效概率间又有唯一关系,根据安全系数和对应的失效概率来划分地震时管道震害程度的等级可能是合理的。
基本完好Pf≤0.28（Fs≥1.3）
轻微破坏0.28＜Pf≤0.5（1.3＞Fs≥1.0）
中等破坏0.5＜Pf≤0.7（1.0＞Fs≥0.8）
严重破坏Pf＞0.70（Fs＜0.8）
4、结论
国内外已有震害表明，现代城市对生命线工程系统具有高度的依赖性，地震后城市生命线工程系统的性能，对震后抢险救灾的指挥调度、人民生命财产的保护和城市的正常生活的维持都至关重要。因此，生命线工程系统抗震可靠度分析具有十分重要的意义。
参考文献：
[1]李杰著．地震灾害预测与防灾规划[M]．郑州：河南科学技术出版社，2004.
[2]韩阳．城市地下管网系统的地震可靠性研究．大连理工大学博士论文[D]．大连：大连理工大学，2002.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
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