基于模糊聚类的过水隧洞渡槽抗震安全性评价方法

王瑞丽

(韶关市华源水电建设有限公司,广东 韶关 512026)

0 引 言

过水隧洞渡槽是水工建筑物的基础设施,过水隧洞渡槽的抗震强度是水利工程设施安全性和稳定性的关键。通过构建过水隧洞渡槽的抗震评价模型,分析过水隧洞渡槽的抗震效能和力学参数,结合应力参数模拟方法,对过水隧洞渡槽的抗震性能进行评价分析,以提高过水隧洞渡槽的抗震安全性和稳定性,过水隧洞渡槽抗震安全性评价方法的相关研究受到人们的极大关注［1］。

过水隧洞渡槽抗震安全性评价过程,需要结合在地震脉冲和冲击波作用下的应力参数分析,采用柔性和刚性力学相约束的方法,利用有限元结构分析,进行过水隧洞渡槽抗震安全性评价和可靠性分析［2］。文献［3］中提出基于模糊理论的混凝土结构建筑抗震性能优化设计,分析了混凝土结构建筑的双向板荷载-变形关系,结合预应力参数评价,进行过水隧洞渡槽抗震安全性评价,但采用该方法进行过水隧洞渡槽抗震性能评价的模糊度较大,可靠性不好。文献［4］中提出BIM模型的建筑抗震强度预估系统设计方法,设计相应的抗震强度预估系统,结合硬件和软件层开发,实现抗震强度预估,但该方法的环境适用性不好。

针对上述问题,本文提出基于支撑有限元模拟分析和模糊聚类的过水隧洞渡槽抗震安全性评价方法。首先通过阻尼耗能支撑结构参数分析,建立过水隧洞渡槽抗震评价的约束对象参数模型;然后根据过水隧洞渡槽水平与竖向接缝对地震环境下整体结构参数进行分析;最后进行试验测试,展示本文方法在提高过水隧洞渡槽抗震安全性方面的可靠性和优越性。

1 过水隧洞渡槽抗震安全性评价的评估模型和参数分析

1.1 过水隧洞渡槽抗震安全性评估模型

以广东韶关某工程为例,对岩洞室稳定性进行分析。为了实现基于模糊聚类的过水隧洞渡槽抗震安全性评价,结合装配整体式结构连接设计,通过位移角的变化规律分析,建立过水隧洞渡槽抗震安全性评价的套筒灌浆连接分析模型。通过对套筒灌浆连接构件的装配式剪力分析［5］,得到过水隧洞渡槽抗震安全性评价及抗震能力指标,公式如下:

(1)

式中:Is为过水隧洞渡槽抗震能力指标;μj为某一方向第j组过水隧洞渡槽抗震构件的强度标准值;Aj为某一方向第j组预制剪力墙竖向钢筋连接面积;W′为锚搭接连接和套筒灌浆连接的层间总重力;F为建筑延性指标。

当F为0.1时,得到模型材料、设计参数、构造措施共同约束下的安全性评价约束因子,公式如下:

(2)

式中:λn为过水隧洞渡槽抗震构件相同现浇剪力的影响系数;fvk为过水隧洞渡槽抗震构件的动态标准值;ω为竖向接缝对整体结构的输出重力荷载;Ac、Aw分别为阻尼支撑的材料黏滞系数及支撑滞回特性参数;∑Af为动力荷载作用下的出力特性和;n为残余变形控制的模量比。

通过阻尼耗能支撑结构参数分析,建立过水隧洞渡槽抗震评价的约束对象参数模型,得到抗震结构性能参数分布,见表1。

输入地震波加速度峰值,采用层次分析法,确定过水隧洞渡槽抗震评价指标的权重,得到过水隧洞渡槽抗震的速度和位移响应等参数分布,见表2。

建立过水隧洞渡槽抗震评价的约束对象参数模型,通过支撑有限元模拟分析和受力阶段支撑恢复力分析［6］,得到三级指标对综合抗震能力(一级指标)的权重,见图1。

表1 结构抗震性能的评估指标体系

表2 过水隧洞渡槽抗震评估指标体系及分布权系数

图1 综合抗震能力指标系数

1.2 抗震性评价

通过阻尼耗能支撑结构参数分析,建立过水隧洞渡槽抗震评价的约束对象参数模型,采用抗震性能的稳态评价方法,进行过水隧洞渡槽抗震评价的指标权重解析,得到各层地震作用在基底剪力,公式如下:

(3)

选取现浇结构的阻尼比参数分析,结合比例度(PGA)分析,得到过水隧洞渡槽在地震动强度指标下的动态分布参数集。利用过水隧洞渡槽中整体刚度拟合分析模型,计算小震(PGA=0.07g)、中震(PGA=0.2g)和大震(PGA=0.4g)作用过水隧洞渡槽的3阶振型曲线,见图2。

图2 过水隧洞渡槽的3阶振型曲线

(4)

引入荷载作用下的出力特性,采用残余变形控制方法,得到过水隧洞渡槽的抗震输出轴向应力和应变弹性模量关系,公式如下:

(5)

其中:

(6)

在上述模型参数设计的基础上,采用模糊聚类分析方法,进行过水隧洞渡槽抗震安全参数融合聚类分析。通过模糊聚类性能参数分析,建立抗震安全评价的组合控制模型。

2 过水隧洞渡槽抗震安全性评价优化

采用Bouc-Wen 模型,构建过水隧洞渡槽的阻尼耗能支撑模型,引入复杂的非线性滞回特性方程,结合模糊信息聚类,考虑到磁流变液接触的有效面积约束条件［8］,得到过水隧洞渡槽的承载力之和,公式如下:

(7)

式中:mb、ms分别为正弦激励和过载激励参数;ub为过水隧洞渡槽内力与切线刚度;kb为最大恢复力;cb为支撑双 Bouc-Wen 模型参数;us为负载参数;cs为过水隧洞渡槽弹性内力增量。

地震冲击作用下,自复位阻尼耗能屈服的模糊聚类状态方程为:

(8)

式中:dei为模糊聚类中心参数。

结合最大层间残余变形分析,过水隧洞渡槽的抗震性预测输出为:

(9)

式中:ρ为不同地震波作用下结构应力;xi为BRB支撑和阻尼耗能支撑的承载能力;j为地震波作用下屈服;n为地震波编号。

综上分析,根据过水隧洞渡槽水平与竖向接缝对地震环境下整体结构参数分析,采用最大层间位移角和结构延性系数的组合评价方法,实现过水隧洞渡槽的抗震安全性评价［9-10］,实现流程见图3。

图3 过水隧洞渡槽的抗震安全性评价的实现结构流程

3 试验测试

测试本文方法在实现过水隧洞渡槽的抗震安全性评价的应用性能,各试件的开裂与峰值荷载见表3。

根据表3中各试件开裂与峰值荷载的分布测试,进行过水隧洞渡槽的抗震性评价,得到有限元应力分析结果,见图4。

表3 各试件的开裂与峰值荷载

图4 有限元应力分析结果

分析图4可知,本文方法能有效模拟过水隧洞渡槽的抗震效能,应变模拟云图及钢筋 Mises应力云图的误差范围在0.44%～0.75%。根据应力分析发现,抗震效能评价的可靠性均值94.7%,标准差0.033。

测试在不同地震强度下过水隧洞渡槽的安全评价结果,见图5-图7。

图5 小震条件下过水隧洞渡槽抗震效能

由图5-图7可知,采用本文方法进行抗震安全效能评价,各模型节点水平滑移发展具有相同规律,提高了评价的可靠性,提高了建筑的抗震能力。

4 结 语

通过分析过水隧洞渡槽的抗震效能和力学参数,结合应力参数模拟方法,进行过水隧洞渡槽的抗震性能评价分析。

为了提高过水隧洞渡槽的抗震安全性和稳定性,本文提出基于支撑有限元模拟分析和模糊聚类的过水隧洞渡槽抗震安全性评价方法,建立过水隧洞渡槽抗震评价的约束对象参数模型,通过阻尼耗能支撑结构参数分析,采用抗震性能的稳态评价方法,进行过水隧洞渡槽抗震评价的指标权重解析。结果显示,本文方法实现过水隧洞渡槽抗震评价的稳定性较高,提高了抗震安全性评价效果,提高了过水隧洞槽的抗震性能。同时,该方法简单实用、评价结果准确,具有实际应用价值。