一种除险加固混凝土重力坝安全性评估方法技术

本发明专利技术公开了一种除险加固混凝土重力坝安全性评估方法，包括构建了基于区间变量的重力坝非概率可靠指标计算模型，考虑了补强加固措施及材料老化对混凝土重力坝服役性态的影响。首先，利用大坝变形的原始数据、物理模型和计算模型成果数据，获取重力坝区间参数界限。其次，融合时变非概率可靠性理论进行单元与体系非概率可靠指标计算，并发展了基于响应面法的非概率可靠指标计算方法。最后从单元和体系的失效模式分析了除险加固措施和材料老化随混凝土坝服役年限增长其服役性态的预测。应用该方法克服了传统的可靠性分析方法功能函数高度非线性，不确定参数严格随机性及计算结果对参数敏感等因素。对参数敏感等因素。对参数敏感等因素。

【技术实现步骤摘要】
一种除险加固混凝土重力坝安全性评估方法


[0001]本专利技术涉及大坝服役可靠性分析领域，特别涉及一种除险加固混凝土重力坝安全性评估方法。

技术介绍

[0002]服役期重力坝受水位、温度等多因素耦合作用下，老化和病损问题日益突出，严重威胁到重力坝长期健康服役。虽然通过实施各种补强加固措施可以对重力坝进行修复，但这些加固措施不可避免地会影响重力坝的材料特性和结构性态，导致重力坝服役性能的变化。评估除险加固混凝土重力坝在时效作用及加固修复作用下重力坝结构性态的改变及服役性能的变化对确保大坝安全具有重要意义。
[0003]传统的重力坝服役安全性的研究主要基于概率可靠性理论。概率可靠性分析方法充分考虑了重力坝的不确定因素，以全面反映结构的工况安全状况。然而，此方法需要大量的统计数据来确定不确定参数的概率分布函数(PDF)。由于试验和监测条件有限，大多数大坝的不确定参数的统计数据极为稀少，无法确定完整的PDF，并且许多不确定参数不是严格随机的(例如，大坝的上游水位)。此外，概率可靠性方法的计算结果对不确定参数极为敏感。不确定因素在一定程度上限制了概率可靠性分析方法在大坝工程领域的应用。近些年在结构领域发展出一种基于凸模型的非概率理论无需知道不确定参数的概率分布密度，仅需知道不确定参数集合的上下界限，以一种非概率指标度量结构的安全程度，在处理不确定参数信息量少的结构可靠度问题上有着独特优势和工程适应性。因此，研究多种加固措施下重力坝加固效能的演化规律，进一步研究坝体加固措施和材料时变演化对重力坝服役性能的影响。以综合评价和预测大坝结构服役性能的演化规律。
[0004]本专利技术的优势在于在分析重力坝加固效能和材料老化效应的基础上，采用时变非概率可靠性分析与区间数学相结合建立重力坝单元与体系的时变非概率可靠性指标计算模型。利用响应面法对加固前后重力坝单元与体系的非概率可靠性指标进行高效计算。最后，对某现有加固重力坝工程加固前后NR
‑
η的时变过程和发展趋势进行计算分析，并对加固措施对提高大坝服役可靠性进行评估和预测。

技术实现思路

[0005]为了克服现有方法的技术的不足，对除险加固混凝土重力坝加固效能及受水位、温度等多因素耦合导致大坝参数不确定性的存在导致结构可靠度随服役变化的问题，本专利技术提出了一种除险加固混凝土安全性评估方法，结合RSM代理模型提高重力坝单元与体系的非概率可靠性指标计算效率，为重力坝服役可靠度评估和预测提供了新方法。
[0006]本专利技术提供了一种除险加固混凝土重力坝安全性评估方法，其技术方法包括如下步骤：
[0007]步骤1，采取搜集大量监测数据的办法，基于区间混合监控模型以反演获取重力坝区间参数界限；
[0008]长期服役大坝受水位、温度等多因素耦合作用下，由于损伤累计导致重力坝结构参数及材料参数发生了很大变化，及时反演坝体和坝基的主要物理参数有利于准确分析大坝真实服役形态；
[0009]充分利用重力坝运行过程中的监测资料，建立补强加固前后的有限元模型，借助区间混合监控模型反演不确定参数界限。假设所有的不确定参数都是区间变量，其中上下限分别为x
u
和x
l
。
[0010]步骤2，构建基于区间变量的非概率可靠性指标计算模型；
[0011]根据破坏准则构建功能函数可以表示为：
[0012]M＝g(x)＝g(x1，x2，...，x
n
)
ꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0013]式中g(x)是x
i
的连续函数，M是区间变量。进而，结构的非概率可靠指标可以表示为
[0014]η＝M
c
/M
r
ꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0015]式中M
c
和M
r
分别是M的平均值和偏差。
[0016]当功能函数有多个区间变量的线性函数时，则表示为：
[0017][0018]其中n是结构阻力参数的数量，m是结构荷载参数的数量，并且A
i
和B
j
是常数。并且和是独立的区间变量，其中和分别是结构阻力和荷载参数的区间变量。
[0019]结构的非概率可靠指标可以表示为：
[0020][0021]步骤3，利用响应面法对重力坝单元时变非概率可靠指标计算，具体过程如下：
[0022]步骤301、针对重力坝复杂结构工程通常难以用显式表达式表述，利用响应面法代理模型使用无交叉项的二次多项式来表示结构的近似极限状态方程，即：
[0023][0024]其中，x＝[x1，x2，...，x
n
]是参数变量的向量，n是参数变量数。系数a、b＝[b1，b2，...，b
n
]T
和c＝[c1，c2，...，c
n
]T
构成上述方程的解，该方程应由2n+1组采样点数据确定，利用RSM法计算重力坝单元的非概率可靠性指标。
[0025]步骤302、结合原始检测数据、物理模型和数学模型进行分析，通过回归拟合以获取响应面函数M＝g(x)。依据拟合响应面函数M＝g(x)，利用数学规划法方法获取拟合响应面函数的最大值与最小值，看作是二次规划约束问题的极值求解，通过优化算法计算得到拟合响应面函数的最小值M
min
和最大值M
max
，数学模型如下：
[0026][0027]步骤4，对实行加固措施前后重力坝单元和体系的非概率可靠性分析，最后进行失效模式的搜索，具体过程如下：
[0028]步骤401、重力坝的主要失效模式是强度不足和滑动失稳。考虑重力坝单元的强度破坏，三维状态下重力坝单元的强度破坏响应函数，即：
[0029][0030]式中，g(x)是重力坝单元强度破坏的功能函数；f
t
和f
c
分别是重力坝的抗拉强度和抗压强度；σ1、σ2和σ3分别是重力坝单元的第一、第二和第三主应力(张力为正，而压力为负)。
[0031]步骤402、考虑重力坝沿坝基表面的滑动失稳。根据滑动面上坝体与坝基上所有单元的应力，沿坝基面滑动失稳的响应函数可以表示为
[0032][0033]式中，g
′
(x)为重力坝沿坝基面滑动失稳的功能函数；m是坝基面上的单元总数；f和c分别是坝基面的摩擦系数和内聚力；σ
yi
和τ
xyi
分别是单元i的法向应力和剪切应力；s
i
是单元i沿坝基表面的面积。
[0034]步骤403、重力坝的主要失效模式的搜索，为确定失效模式，先计算获得重力坝单元η，在重力坝单元η值较低的密集区域选择若干可能得最先失效单元作为初始失效单元，并将其杀死进而搜索下一个相邻失效单元。选择单元e1作为初始失效单元，在有限元分析中，假设单元e1为第一个失效单元(剔除该单元)，接着进行非概率可靠性计算分析，在e1单元附近搜索n本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种除险加固混凝土重力坝安全性评估方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1，搜集重力坝运行过程中的大量监测数据，基于区间混合监控模型以反演获取重力坝区间参数界限；步骤2，构建基于区间变量的非概率可靠性指标计算模型；步骤3，利用响应面法对重力坝单元时变非概率可靠指标计算；步骤4，重力坝体系非概率可靠指标计算及失效模式的搜索；步骤5，重力坝补强加固后时变非概率可靠指标预测分析。2.根据权利要求1所述的一种除险加固混凝土重力坝安全性评估方法，其特征在于，所述步骤1中的具体为：利用重力坝运行过程中的监测资料，建立补强加固前后的有限元模型，借助区间混合监控模型反演不确定参数界限；假设所有的不确定参数都是区间变量，其中上下限分别为x
u
和x
l
。3.根据权利要求2所述的一种除险加固混凝土重力坝安全性评估方法，其特征在于，所述步骤2中构建基于区间变量的非概率可靠指标计算模型的具体步骤为：(1)当功能函数为单个区间变量的线性函数时，根据破坏准则构建功能函数表示为：M＝g(x)＝g(x1，x2，...，x
n
)
ꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，g(x)是x
i
的连续函数，M是区间变量；由此计算重力坝结构的非概率可靠指标表示为：η＝M
c
/M
r
ꢀꢀꢀꢀ
(2)式中M
c
和M
r
分别是M的平均值和偏差；(2)当功能函数有多个区间变量的线性函数时，则表示为：式中，n是重力坝结构阻力参数的数量，m是重力坝结构荷载参数的数量，A
i
和B
j
是常数，并且和是独立的区间变量，其中和分别是结构阻力和荷载参数的区间变量；由此计算重力坝结构的非概率可靠指标表示为：式中为结构抗力的均值，为结构抗力的离差，为结构荷载的均值，为结构荷载的离差。4.根据权利要求1所述的一种除险加固混凝土重力坝安全性评估方法，其特征在于，步骤3中所述构建基于响应面法的重力坝单元非概率可靠指标计算模型，具体过程如下：步骤301、利用响应面法代理模型使用无交叉项的二次多项式来表示重力坝复杂结构的近似极限状态方程，即：其中，x＝[x1，x2，...，x
n
]是参数变量的向量，n是参数变量数；系数a、b＝[b1，b2，...，
b
n
]
T
和c＝[c1，c2，...，c
n
]
T
构成上述方程的解，该方程应由2n+1组采样点数据确定，利用RSM法计算重力坝单元的非概率可靠性指标；步骤302、结合原始检测数据、物理模型和数学模型进行分析，通过回归拟合以获取响应面函数M＝g(x)；依据拟合响应面函数M＝g(x)，利用数学规划法方法获取拟合响应面函数的最大值与最小值，看作是二次规划约束问题的极值求解，通过优化算法计算得到拟合响应面函数的最小值M
min
和最大值M
max
，数学模型如下：5.根据权利要求4所述的一种除险加固混凝土重力坝安全性评估方法，其特征在于，步骤4先对实行加固措施前后重力坝单元和体系的非概率可靠性分析，最后进行失效模式的搜索，重力坝的主要失效模式是强度不足和滑动失稳，具体过程如下：步骤401、考虑重力坝单元的强度破坏，三维状态下重力坝单元的强度破坏响应函数为：式中，g(x)是重力坝单元强度破坏的功能函数；f
t
和f
c
分别是重力坝的抗拉强度和抗压强度；σ1、σ2和σ3分别是重力坝单元的第一、第二和第三主应力，其中张力为正，而压力...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏博文，李震宇，袁冬阳，张升，占良红，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：