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本文基于抗震可靠度分析和网络自动生成拓扑结构的思想对生命线工程管网的智能化抗震设计进行了深入探讨。以城市供水管网为研究对象,在综合考虑管网建设经济性、日常运营合理性、抗震可靠性的基础上,初步建立了利用计算机完成管网抗震智能化总体设计和细部设计的基本框架。
网络的抗震可靠度分析是评价生命线工程系统抗震能力和灾后运行性能的重要手段。本文在考虑埋地管线地震破坏特征的基础上,利用水力学原理,提出了一种以管线接口变形为主要破坏模式的点式渗漏理论模型。以震后带渗漏供水管网的功能分析为基础,采用一次二阶矩方法计算节点及系统的功能可靠度。此方法较之随机模拟方法概念清晰且大为简化。
近四十年来,国内外众多学者在管网优化设计方面所做的工作大多集中于管网的细部设计问题——管径优化。研究表明,管径对管线抗震可靠度的影响是有限的。管网抗震拓扑优化设计则为管网抗震设计提供了经济、高效的途径。本文首次提出了网络自动生成拓扑技术,并针对在生成过程中可能产生的不连通网络,给出了启发式修补策略。这两项技术使得自动生成管网初始拓扑点集成为可能,形成了管网智能化抗震设计的先导。在此基础上,本文提出了基于可靠度的生命线工程管网抗震智能化设计方法,发展了遗传算法(GA)和模拟退火算法(SA)相融合的混合优化策略,采用系统拓扑优化和管径优化的综合设计途径完成整个管网的总体设计和细部设计。GASA混合优化策略,改善了过去单一算法对算法参数极为敏感和初值鲁棒性较差的弊端,加速了对全局最优解的搜索速度。
最后,运用本文提出的基于可靠度的管网抗震智能化设计方法,对包含463个节点的沈阳市主干供水管网进行了抗震设计。在8度地震作用下,所设计的最优管网比原始管网减少了237条管线,占总数的24.3%,而各节点最小抗震可靠度达到94.3%。
生命线工程管网的抗震智能化设计是生命线地震工程的前沿性课题。本文旨在推动生命线工程系统的抗震设计,由研究管网的细部设计——管径优化,逐渐过度到研究管网的全局设计,使管网设计能够真正摆脱过去缺乏抗震设计手段、布线过程繁琐、优化途径单一的弊端,从而使生命线网络的抗震设计真正步入到计算机自动设计的时代。