一种评价供水管网抗震功能可靠度的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及供水管网的抗震安全性领域，具体涉及一种评价供水管网抗震功能可 靠度的方法。
【背景技术】
[0002] 地震是人类面临的最严重的突发性自然灾害之一。地震除了造成人身伤亡外，还 使建筑物破坏，使公共设施如交通、供电、供水、供气、输油、通信等中断服务，继而引发水、 火、疾病等次生灾害，给社会生活带来极为严重的恶果。我国处于环太平洋地震带和欧亚地 震带之间，地震区域广、强度大、发震频率高，是世界上遭受地震灾害最为严重的国家之一。
[0003] 供水、供气、供电、通信、交通等工程设施是现代社会生产和人民生活赖以维持的 基础性设施，人们形象地称之为生命线工程。它们一旦遭到破坏，整个社会的生产与生活就 会受到严重影响，城市就会因服务功能中断而陷入瘫痪，造成生命和财产损失。
[0004] 由于生命线工程本身的复杂性、网络性、空间分布的广泛性、破坏的相关性等造成 其地震灾害非常严重。供水系统作为城市主要的生命线分支之一，在近几十年发生的多次 破坏性地震中，无一例外地遭到严重破坏。供水系统是由元件和节点组成的具有连通性和 功能性双重要求的多连通网络系统，地震时，系统中部分元件的破坏（如管道的断裂等）往 往会引起系统的一部分或全部功能的失效。目前，我国处于地震多发期，大多数城市的供水 管网系统又没有经过正规的抗震设计，且正处于老化、规模不足阶段，因此，开展从元件到 系统层次上的供水管网系统抗震可靠性分析及加固优化研究，作为城市防震减灾工作的内 容之一，具有重要的学术意义和实用价值。
【发明内容】
[0005] 为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种评价供水管网抗震功 能可靠度的方法。该方法在进行震后供水管网的功能分析时，考虑震后低压供水时节点流 量随水压的动态变化，通过牛顿-拉夫森迭代法求解管网水力方程，得到节点实际水压和 流量，避免了水力结果中负压节点的产生。在进行供水管网的抗震功能可靠性分析时，以节 点水压为评价指标，采用均值一次二阶矩方法计算管网各节点的功能可靠度，该方法通过 一次水力分析即可给出管网各节点的可靠性指标，方法大为简化且结果准确，为合理评价 管网震后工作性能提供依据。
[0006] 为实现上述目的，本发明是通过如下技术方案来完成的，一种评价供水管网抗震 功能可靠度的方法，包括以下步骤：
[0007] 1)无破坏状态下管网水力分析
[0008] 现场测定和采集目标区域的供水管网各管段的管长L、管径D以及水管种类系数 Cij,对供水管网进行无破坏状态下的水力分析，利用采集的上述参数以及下列公式（1)计 算：
【主权项】
1. 一种评价供水管网抗震功能可靠度的方法，其特征在于包括以下步骤： 1) 无破坏状态下管网水力分析 现场测定和采集目标区域的供水管网各管段的管长L、管径D以及水管种类系数，对 供水管网进行无破坏状态下的水力分析，利用采集的上述参数以及下列公式（1)计算： (1)
其中，i为管网节点数、j为管网中的管段数，氏、&分别表示节点i、j的水压，Cu为水 管种类系数，Qi为节点i的流量；求解该公式（1)得到供水管网各节点自由水压； 2) 震后管网水力分析 现场测定和采集震后管网各管段的管长L、管径D以及管线接头变形Si，对目标区域的 供水管网进行震后的水力分析，利用采集的上述参数以及步骤（1)中采集的相关参数以及 下列非线性方程组（2)进行计算： F(H) =A?QP-QN=(f! (H),f2 (H), -,fn (H)) T= 0 (2) 其中，QP为mX1维管段传输流量，QP=(qpq2, . . .，qm)T，QNSnX1维节点流量向量，QN=(QpQ2, . . .，Qn)T，A为连接矩阵；H为节点水压；利用牛顿-拉夫森迭代法对节点水压 力进行迭代求解，得到目标区域的供水管网在不同水平地震作用下的各节点自由水压和流 量； 3) 震后管网节点功能可靠度分析 震后供水管网节点的极限状态可用下列公式表示：
为震后供水管网节点极限状态方程Zi=H 的均值；为震后供水管网节点 极限状态方程Zi=H 的方差，其中，Hi为该节点的水压，HiminS该节点允许最低自由 水压。 应用均值一次二阶矩方法计算求解上述公式（3)，得到不同水平地震作用下管网各供 水节点的功能可靠度，即不同水平地震作用下节点可靠度指标； 4) 结果评价 最后利用步骤2)中获得的结果与步骤3)中获得的不同水平地震作用下节点可靠度指 标进行比较，评价该供水管网是否满足抗震要求。
2. 根据权利要求1所述的评价供水管网抗震功能可靠度的方法，其特征在于：步骤1) 中的无破坏状态下管网各节点自由水压均大于节点设计允许最低自由水压，各节点流量满 足节点需求流量要求。
3. 根据权利要求1或2所述的评价供水管网抗震功能可靠度的方法，其特征在于：步 骤2)中采用的牛顿-拉夫森迭代法求解管网水力方程的步骤如下： (a) 给定节点水压初始值计算y/。)。若所有的|/(t>)|<s(e为 计算设计精度），则H?即为所求节点水压，否则，令k= 0,进行第（b)步； (b) 计算(5/ /祖,)⑷（〇? = 1，2,…《)，(5/ /册;.)(*)是5/ /5^.在H=H(k)处的值，形成雅 可比矩阵Jk; (c) 求解牛顿-拉夫森迭代法中每一步迭代过程的节点校正水头AH(k)，进而求解节点 水压新的近似值H(k+1); (d) 计算_/;_)(i= 1，2,…n)，若所有的|#+1)|<b则H(k+1)即为所求各用水节点的水 压；否则，令k=k+l，返回步骤（b)。
4. 根据权利要求3所述的评价供水管网抗震功能可靠度的方法，其特征在于：步骤2) 中的连接矩阵为
其中，ru为采用蒙特卡罗模拟方法对管网中所有管线产生的0-1之间的随机数列，pu为根据随机可靠性理论计算的管线的破坏概率。
5. 根据权利要求4所述的评价供水管网抗震功能可靠度的方法，其特征在于：步骤2) 可进一步包括在渗漏管段增加虚拟节点，形成包括实际节点和虚拟节点的网络。
【专利摘要】本发明公开了一种评价供水管网抗震功能可靠度的方法，包括以下步骤：1)无破坏状态下管网水力分析、2)震后管网水力分析、3)震后管网节点功能可靠度分析、4)结果评价，利用步骤2)中获得的结果与步骤3)中获得的不同水平地震作用下节点可靠度指标进行比较，评价该供水管网是否满足抗震要求。该方法在避免了水力结果中负压节点的产生。该方法通过一次水力分析即可给出管网各节点的可靠性指标，方法大为简化且结果准确，为合理评价管网震后工作性能提供依据。
【IPC分类】G06F19-00
【公开号】CN104699978
【申请号】CN201510128068
【发明人】何双华, 李志鹏, 韩爱红, 陈爱玖
【申请人】华北水利水电大学
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年3月24日