城市供水管网抗震可靠性分析与设计优化 5页

'第25卷增刊灾
害
学Vol
25No
S0
2010年10月JOURNALOFCATASTROPHOLOGYOct
2010*城市供水管网抗震可靠性分析与设计优化1,231徐
良,彭勇波,李
杰(1
同济大学土木工程学院,上海
200092;2
上海核工程研究设计院,上海
200233;3
同济大学上海防灾救灾研究所,上海
200092)摘
要:考虑管线震害发生的随机性,利用管线在地震作用下反应的二阶矩特征信息,采用带渗漏管网抗震可靠性分析的一次二阶矩方法,以华中地区某市主干供水管网为例,进行了基本烈度条件下的可靠度分析,结果表明,在低、中烈度条件下,供水管网中各节点均处于可靠状态;在高烈度条件下,节点主要处于可靠状态,局部处于严重不可靠、甚至出现断水状态。进一步地,基于微粒群优化算法,以管网年费用折算值为优化目标、管网拓扑结构与管径为优化参数、管网节点可靠度为约束条件,建立了新的供水管网抗震设计优化模型,并将供水管网所在区域的道路信息引入管网优化设计中,提出了管网拓扑的自动生成策略,从而形成了城市供水管网系统智能化抗震设计方法。数值算例表明,基于可靠度的抗震优化设计方法为风险-投资之间的合理均衡提供了理论基础,决策者可以据此选择所期望的最佳方案。关键词:抗震可靠度;一次二阶矩;微粒群算法;拓扑优化;自动生成;供水管网中图分类号:P315
052

文献标识码:A

文章编号:1000-811X(2010)S0-0227-050
引言1
供水管网系统抗震可靠性分析城市供水管网系统作为城市生命线系统中重在地震作用下,供水管线可能发生不同程度要的组成部分,担负着城市工业生产、生活供水地破坏。对于在地震中严重破坏的管段,通常认[1]的任务,是现代城市的动脉。地震中供水管网为不能再继续承担供水功能,必须在震后尽快关的破坏,不仅直接影响生产和生活,而且当发生闭其两端阀门。而对于在地震中轻微破坏乃至中火灾等次生灾害时,还会影响到救灾的顺利进行,等破坏的管段,则一般认为它们仍然可以承担供造成巨大的经济损失。因此,研究城市供水管网水的功能,但在进行管网功能分析时,必须考虑系统的抗震性能,进行抗震优化设计,提高管网管段由于破坏而产生的渗漏量,并通过引入渗漏[2]系统的抗震能力,对现代城市的发展具有重要的模型来描述管段渗漏量与渗漏面积间的关系。意义。因此,震后供水管网的功能分析是针对带渗漏管[3]本文介绍了供水管网系统抗震可靠性分析方网的分析。法,并在基础上,着手进行供水管网系统抗震可供水管线的渗漏面积受到地震动幅值、场地靠性优化设计。首次供水管网所在区域道路信息条件、管道接口形式等多种因素影响,其中若干引入优化设计中,提出了城市供水管网系统智能因素本质上为随机变量,因此,管段渗漏面积本化抗震设计方法。在上述研究工作的基础上,进质上为随机变量,由此,管网中节点的供水压力行了华中地区某市主干供水管网的抗震可靠性分亦应为随机变量。对于随机供水压力的管网的功析和优化。结果表明:本文提出的方法能够有效能可靠性,应采用概率论的方式加以分析。研究地完成大型城市供水管网的抗震优化设计工作。表明:在管网抗震分析中,考虑管线震害发生的随机性,利用管线在地震随机作用下的反应二阶矩信息,可以采用均值一次二阶矩方法得到管网*收稿日期:2010-09-25基金项目:国家自然科学基金委创新研究群体科学基金(50621062)资助项目作者简介:徐良(1985-),男,硕士研究生,主要从事生命线工程管网智能化抗震设计研究
Emai:lliang851224@126
com 228灾
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学25卷节点水压的均值和方差,进而得到节点的抗震功明,在!、∀基本烈度条件下,供水管网中各节能可靠性指标。点均处于可靠状态;在#、∃基本烈度条件下,供水管网的节点极限状态方程可以写为:节点主要处于可靠状态,局部处于严重不可靠、Zi=Hi-Hmini,(1)甚至出现断水状态。根据∋建筑工程抗震设防分类式中:Hi为节点处的水压;Hmini为节点i要求的最标准((GB50223-2008),该城区建筑工程抗震设低水头。防烈度为∀度,其主要供水管线的抗震设防类别当各基本变量(各管段渗漏面积)服从正态分应划为重点设防类。因此,需进行#度烈度条件布时,Zi显然服从正态分布,在此前提下:下供水管网系统的抗震可靠性优化与设计。Psi=P(Zi>0)=
(i)(i=1,2,,n),(2)式中:
()为标准正态概率分布函数。Zii=(3)!Z(i=1,2,,n),i称i为节点可靠性指标。图2
供水管网抗震可靠性分析结果统计图以华中地区某城市供水管网为例进行抗震可靠性分析。城区分为A、B、C、D四个区域,A区内现有一个设计规模为20万t/d的水厂,可满足A区(远期需水量13
86万t/d)及D区(远期需水量7
32万t/d)的要求;在B区和C区之间,将新建一座规模为30万t/d的规划水厂,以满足这两地区(远期需水量29
57万t/d)的要求。城区主干供水管网(内口径在300mm及以上的管线)共有228条管线,148个需水节点及2个水源点,如图1所示。图3
#度地震作用下供水管网功能可靠性计算结果图4
∃度地震作用下供水管网功能可靠性计算结果图1
城区主干供水管网分布图根据上述介绍的一次二阶矩方法,分别计算3
供水管网系统抗震可靠性优化设计了地震烈度为!、∀、#、∃度基本烈度时供水3
1
供水管网优化模型的建立管网的抗震功能可靠性。按不同的可靠性指标值供水管网是一个复杂的大系统,其基本设计将结果分为%可靠&,%轻微不可靠&,%中等不可[4]参数包括管网的拓扑结构、管段的管径、管材、靠&,%严重不可靠&和%断水&五种,计算统计接头形式等。考虑到实际工程项目的可行性以及结果见图2。图3和图4分别给出了#、∃基本烈设计习惯等因素的影响,本文以管网拓扑结构和度时管网中各节点抗震可靠度情况。计算结果表
增刊徐良,等:城市供水管网抗震可靠性分析与设计优化229T管径为优化参数,抗震可靠度作为约束,管网费,vid)表示。第i个微粒目前所经历过的最好位T用最小为设计目标进行供水管网优化设计。置用pi=(pi1,pi2,,pid)表示,群体目前所经供水管网的费用包括管网建设投资费用和建T历过最好位置用pg=(pg1,pg2,,pgd)表示。成后的运行管理费用,可以用供水管网的年费用用上标t表示进化代数,则在微粒群算法中,对每折算值(管网建设投资偿还期内的管网建设投资费一代,微粒i的第j维的进化方程为:用和运行管理费用之和的年平均值)来表示。因此t+1tttvij=#vij+c1rand1()(pij-xij)+c2建立如下的优化模型:randtt2()(pig-xij),(7)minWxt+1=xt+vt+1,(8),(4)ijijijs
t
min)0式中:#为惯性权重,#取较大值可以使算法具有式中:min为供水管网所有节点的抗震可靠度指标较强的全局搜索能力,#取小值则算法倾向于局部的最小值,可以前面介绍的均值一次二阶矩方法搜索;c1和c2为加速度常数,一般在[0,2]取值;来求解;0为供水管网设计时允许的抗震可靠指c1的大小表示单个微粒在运动过程中所经历得最标限值;W为供水管网的年费用折算值,可用下好的位置对微粒的吸引程度,对微粒下一步飞行[5]式表示:的影响;c2的大小表示种群中所有微粒所经历过np1的最好位置对微粒的吸引程度,对微粒下一步飞W=+C+∗Piqihpi,(5)100Ti=1行的影响。rand1()和rand2()为两个在0,1范围式中:p为管网的每年折旧和大修的百分率;T是管内变化的随机函数。网建设投资偿还期;n是泵站数目;Pi为泵站的单方程(7)中的第一部分可以理解为微粒先前的3位运行电费指标,(元/(m/(sma)));qi为泵速度或惯性;第二部分可理解为微粒的%认知&行3站i设计扬水流量,(m/s);hi为泵站i最大时扬为,表示个体自身经验对下一步飞行的指导作用;程,(m);C为管网造价,可用下式计算得到:第三部分可以理解为微粒的%社会&行为,表示借ma3鉴群体的经验调整下一步飞行。方程(8)表示微粒C=∗∀i(a1+a2di)li,(6)i=1位置的更新规则。式中:li为管线长度(m);di管线的管径(mm);3
3
供水管网系统的智能化抗震设计[9]a1,a2,a3是造价经验系数,可以分别取本文首次将供水管网所在区域的道路信息引[6]62
1051、1979
7、1
486;∀i连通系数,铺设入管网优化设计中,提出了自动生成网络拓扑结管线时取为1,不铺设时取为0;m为管网中管线构的方法:在已知管网系统的节点(水源点以及需的数目。水节点)位置,以及管网所在区域的道路信息的基上述模型中采用管网拓扑结构和管径作为优础上,通过自动生成策略生成节点间的沿道路铺化参数,这是因为这两者是供水管网的抗震可靠设的管线,从而形成满足实际工程要求的管网拓度和建造运营费用的主要影响因素。好的拓扑结扑结构方案。自动生成过程如图5所示。构可以以较少的管线来保证管网的日常运营和要求的抗震可靠度,不仅建设费用低,而且抗震性能好。同时,管径增大,管网造价增加,但抗震性能好,运营费用因管段中水头损失减小、水泵所需扬程降低而减小。相反,管径减小,管网造价下降,抗震性能降差,运营费用增加。[7-8]3
2
微粒群算法在微粒群算法中,用微粒的位置表示待优化问题的解,每个微粒性能的优劣程度取决于待优化问题目标函数确定的适应值,每个粒子由一个速度矢量决定其飞行方向和速率大小。设在一个d维的目标搜索空间中,群体中的第i个微粒位置可T表示为一个d维矢量,Xi=(xi1,xi2,,xid),图5
自动生成过程流程图微粒i的速度(位置的改变)用矢量Vi=(vi1,vi2, 230灾
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在供水管网的抗震优化设计过程中,根据系元,但此时,节点可靠度指标最小值达到了0
937统可靠度要求增加或删除管网中的管线。整个设和1
293,远大于原始规划管网的节点可靠度指标计过程依托优化算法的大框架,将自动生成策略最小值。嵌入此大框架之中,最终给出优化的设计管网。事实上,相应于节点最小可靠度0
9、0
8和具体过程如下:+管网初始数据的输入,这部分0
7三个层次的约束性态指标,正是结构或系统性主要包括计算参数的输入和管网的节点属性信息态设计的理念。可以看到,构建高可靠度的网络(节点类型,节点需水量,节点高层)的输入,以系统,需要高投入。因此,基于可靠度的抗震优及管网所在区域的道路信息的输入。,在自动生化设计方法为风险-投资之间的均衡提供了理论成策略的指导下完成管网初始拓扑结构的生成,基础,决策者可以据此选择所期望的最佳方案。形成优化算法的初始种群;−确定管网种群中各图6~图8为在各个约束条件下的供水管网优化管网的属性数据,计算管网节点的抗震可靠度和方案。各个体的目标函数值。其中管网属性数据包括管线的管径、长度以及连接方式等。.利用优化算法内含的优化机制对当前管网种群进行优化更新;同时,在每个优化迭代步,按前述管网改进方式对当前管网种群的状态进行改进。优化过程产生的无意义的解,采用自动生成策略中的修补方式进行修补。/当满足程序终止准则时,输出最优的设计管网。3
4
数值算例分析对于所考察的城区供水主干管网,共有148个需水节点,2个水源点,道路节点248个(包括管图6
0=0
53的供水管网方案网节点在内),道路427条。基于本文提出的智能化抗震设计方法,采用微粒群算法,考虑地震烈度为#度进行管网抗震优化设计。约束条件分别取0=1
28(对应节点最小可靠度0
9),0
84(对应节点最小可靠度0
8),0
53(对应节点最小可靠度0
7)。表1给出了各可靠度约束条件下,供水管网的年费用折算值。相对于原始管网方案,优化后的管网年费用折算值在节点最小可靠性指标为0
53时,年费用折算值减少了147
0175万元,但节点可靠度指标最小值0
805却大于原始规划管网的节图7
0=0
84的供水管网方案点可靠度指标最小值0
515。这表明,采用基于可靠度的供水管网抗震优化设计方法,以较少的投入获得了较大的管网可靠性。表1各种约束条件下的管网年费用折算值节点可靠度指标限值年费用折算值/万元节点可靠度指标最小值0
532815
85520
8050
843104
71820
9371
283253
28541
293原始规划管网2962
87270
515然而,当为0
84、1
28时,优化后的管网年图8
=1
28的供水管网方案费用折算值分别增加了141
8455和290
4127万0
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