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

(韶關市華源水電建設有限公司,廣東 韶關 512026)

0 引 言

過水隧洞渡槽是水工建筑物的基礎設施,過水隧洞渡槽的抗震強度是水利工程設施安全性和穩定性的關鍵。通過構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參數,結合應力參數模擬方法,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定性,過水隧洞渡槽抗震安全性評價方法的相關研究受到人們的極大關注［1］。

過水隧洞渡槽抗震安全性評價過程,需要結合在地震脈沖和沖擊波作用下的應力參數分析,采用柔性和剛性力學相約束的方法,利用有限元結構分析,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構建筑抗震性能優化設計,分析了混凝土結構建筑的雙向板荷載-變形關系,結合預應力參數評價,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估系統設計方法,設計相應的抗震強度預估系統,結合硬件和軟件層開發,實現抗震強度預估,但該方法的環境適用性不好。

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構參數分析,建立過水隧洞渡槽抗震評價的約束對象參數模型;然后根據過水隧洞渡槽水平與豎向接縫對地震環境下整體結構參數進行分析;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越性。

1 過水隧洞渡槽抗震安全性評價的評估模型和參數分析

1.1 過水隧洞渡槽抗震安全性評估模型

以廣東韶關某工程為例,對巖洞室穩定性進行分析。為了實現基于模糊聚類的過水隧洞渡槽抗震安全性評價,結合裝配整體式結構連接設計,通過位移角的變化規律分析,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,公式如下:

(1)

式中:Is為過水隧洞渡槽抗震能力指標;μj為某一方向第j組過水隧洞渡槽抗震構件的強度標準值;Aj為某一方向第j組預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。

當F為0.1時,得到模型材料、設計參數、構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件相同現澆剪力的影響系數;fvk為過水隧洞渡槽抗震構件的動態標準值;ω為豎向接縫對整體結構的輸出重力荷載;Ac、Aw分別為阻尼支撐的材料黏滯系數及支撐滯回特性參數;∑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構參數分析,建立過水隧洞渡槽抗震評價的約束對象參數模型,得到抗震結構性能參數分布,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的權重,得到過水隧洞渡槽抗震的速度和位移響應等參數分布,見表2。

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

表1 結構抗震性能的評估指標體系

表2 過水隧洞渡槽抗震評估指標體系及分布權系數

圖1 綜合抗震能力指標系數

1.2 抗震性評價

通過阻尼耗能支撐結構參數分析,建立過水隧洞渡槽抗震評價的約束對象參數模型,采用抗震性能的穩態評價方法,進行過水隧洞渡槽抗震評價的指標權重解析,得到各層地震作用在基底剪力,公式如下:

(3)

選取現澆結構的阻尼比參數分析,結合比例度(PGA)分析,得到過水隧洞渡槽在地震動強度指標下的動態分布參數集。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力和應變彈性模量關系,公式如下:

(5)

其中:

(6)

在上述模型參數設計的基礎上,采用模糊聚類分析方法,進行過水隧洞渡槽抗震安全參數融合聚類分析。通過模糊聚類性能參數分析,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化

采用Bouc-Wen 模型,構建過水隧洞渡槽的阻尼耗能支撐模型,引入復雜的非線性滯回特性方程,結合模糊信息聚類,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;ub為過水隧洞渡槽內力與切線剛度;kb為最大恢復力;cb為支撐雙 Bouc-Wen 模型參數;us為負載參數;cs為過水隧洞渡槽彈性內力增量。

地震沖擊作用下,自復位阻尼耗能屈服的模糊聚類狀態方程為:

(8)

式中:dei為模糊聚類中心參數。

結合最大層間殘余變形分析,過水隧洞渡槽的抗震性預測輸出為:

(9)

式中:ρ為不同地震波作用下結構應力;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,根據過水隧洞渡槽水平與豎向接縫對地震環境下整體結構參數分析,采用最大層間位移角和結構延性系數的組合評價方法,實現過水隧洞渡槽的抗震安全性評價［9-10］,實現流程見圖3。

圖3 過水隧洞渡槽的抗震安全性評價的實現結構流程

3 試驗測試

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

根據表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,得到有限元應力分析結果,見圖4。

表3 各試件的開裂與峰值荷載

圖4 有限元應力分析結果

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,應變模擬云圖及鋼筋 Mises應力云圖的誤差范圍在0.44%～0.75%。根據應力分析發現,抗震效能評價的可靠性均值94.7%,標準差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,各模型節點水平滑移發展具有相同規律,提高了評價的可靠性,提高了建筑的抗震能力。

4 結 語

通過分析過水隧洞渡槽的抗震效能和力學參數,結合應力參數模擬方法,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模型,通過阻尼耗能支撐結構參數分析,采用抗震性能的穩態評價方法,進行過水隧洞渡槽抗震評價的指標權重解析。結果顯示,本文方法實現過水隧洞渡槽抗震評價的穩定性較高,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、評價結果準確,具有實際應用價值。