【摘要】供水管网系统是城市生命线工程的重要组成部分，承担着城市居民饮水、用水的重担，是城市运转不可获取的部分。在影响城市供水管网系统稳定性的众多因素中，地震作用是其中破坏力最大的因素之一，强烈的地震作用能够使管网功能失效，进而对人民生活、财产、生命造成损失。因此，对城市供水管网系统进行抗震可靠性分析，并进行抗震优化设计，对城市基础建设工作具有重要的现实意义。
【关键词】供水管网；抗震可靠度；优化设计
1前言
对世界范围内的历次大地震对城市供水管网造成的破坏来看，其破坏程度及由其引发的次生灾害引起了人们的高度重视。从大地震的破坏后果中人们清晰的认识到，对城市地下供水管网的抗震可靠性分析以及对管道的抗震加固优化设计具有重要的理论意义和工程实用价值。地震对城市管网系统的破坏机理较为复杂，并且随即因素较多，因此在对管道抗震可靠性分析时选择概率模型更为合适。
2城市地下供水管道的抗震可靠性分析
2.1震时管道工作状态划分
在对管道工作状态进行判断时，场采用管道接头变形是否超出接头允许的范围来判定，在地震作用线，管道接口变形反应S与允许开裂变形极限抗力R1和允许渗漏变形极限抗力R2的相对关系来定义管道工作状态。当S小于R1、接头存在少量细微裂纹或渗漏时，管道被定义为基本完好；当S大于R1、多处接头渗水及裂纹，并且管道存在进一步破坏的趋势，管道内压下降时，管道被定义为中等破坏；当S大于R2且填料松动，接口甚至拉出导致渗水严重，管内压力下降显著，甚至管道供水功能失效时，管道被定义为严重破坏。
2.2管道单元的极限状态方程
通常来说，供水管道接口的允许变形极限参数是已知的，地震作用效应的参数经过地震测算亦可获知，在已知参数的基础上通过常规的结构抗震可靠度分析方法计算出管道抗震可靠度。在抗震可靠性分析中，由于极限值是状态改变的临界值，因此引入极限状态方程为可靠性分析的线性函数，地震作用下管道的变形为S，接头的允许极限值为R，将S与R作为结构功能函数的基本变量，则：Z=f(R,S)=R-S。由函数可知，当Z>0时，管道状态良好，当Z<0时，管道功能失效，当Z=0时，管道处于极限状态。
2.3管道单元的概率预测模型
在概率预测模型中，管道可靠性涉及的因子参数是在可靠性理论下完成的，假设管道地震效应S和结构抗力R均符合正态分布，则功能函数Z=R-S亦服从正态分布。提的，当变量R与S为非正态分布时，需要对各变量进行当量正态化处理。进行当量正态化转化时，可借助可靠度相关理论，引入概率密度函数与分布函数，计算出随即变量的均值与标准差、方差。非正态分布下，管道可靠度计算指标及失效概率是当量正太变换计算的基本步骤，进而得到管道处于不同破坏状态下的概率。
3城市供水管网抗震加固优化设计
3.1供水管网系统的抗震加固优化问题
城市供水管网抗震加固优化设计的根本出发点是提高系统的可靠性，建设引发损失，在具体的设计与施工中，必须要遵循系统安全稳定与经济性兼顾的原则，因此供水管网的加固优化较为合理的做法是结合管网功能进行。首先，选择管网系统抗震加固优化的数学模型，将工程造价与可靠性作为两个基础结构变量；其次，确定管网系统单元抗震可靠度指标，比如场地、管径、烈度等。此外，在分析供水管网单元的可靠性时，还要考虑地震动、场地变形、地基变形的影响；再次，计算供水管网系统震后服务功能指标，通常采用管网水利分析计算方法来评价加固方案下管网的服务功能。通常来说，提高管道各单元的地震可靠度是增强震后管网系统服务水平的有效办法；最后，确定供水管网系统抗震加固的经济指标，通常用工程造价来反映。
3.2供水管网抗震加固优化设计
由于供水管网抗震加固优化设计中的各项变量为离散变量，需要对其进行优化，通常采用枚举法组合出所有可能的加固方案。但是在实际的计算中，随着加固单元的增多，求解问题变得复杂，枚举法的运算量也相应的变大，给计算带来极大的难度。在这种情况下，可用正交枚举法进行简化。正交枚举法又称为正交试验法和正交设计法，正交表是其具体计算方式，一般步骤为：调因素、选水平，列出因素水平表→选用正交表、排表头→安排试验方案→试验结果分析。在进行正交表试验之后进行供水管网系统抗震加固优化设计，选择管网单元抗震加固方案，一般通过改变棺材、管径以及采用抗震构造措施等来实现加固。此外，结合城市地址特点，可选择增加柔性接头作为加固方案来增加抗震可靠性。一般来说，利用正交设计法进行城市供水管网系统抗震加固优化的具体步骤为：确定加固单元并编为因素编号→根据可选加固方案确定水平编号→将各编号编入正交表→计算每次试验的指标值→比较实验结果，选择最优方案。
参考文献：
[1]侯本伟.城市供水管网抗震能力分析及性能化设计方法研究[D].北京：北京工业大学,2014.
[2]李晓娟,沈斐敏.城市供水管网抗震加固优化研究[J].中国安全科学学报,2014.
[3]刘威.大型城市管网抗震可靠性分析与优化[J].地震工程与工程振动,2006.
作者：闫丽芳 单位：太原理工大学
