生命线工程的发展外文翻译

生命线工程的研究进展李杰（同济大学建筑工程系，上海 200092，中国）摘要：本篇文章概述了生命线工程研究中的关键事件和若干进展。研究话题包括：随机地震动场的波动数值模拟、工程结构非线性地震反应的概率密度演化分析方法、大型生命线工程网络系统的抗震可靠性分析与优化等。在论述研究进展的同时，对若干相关的国内外研究发展状况作了简要的评述。对生命线工程研究的未来发展给出了一些建议。关键词：生命线工程；地震；结构；可靠性；网络；优化引言生命线工程是维系现代城市与区域经济、社会功能的基础性工程设施与系统，其典型对象包括区域电力与交通系统、城市供水、供气系统、通讯系统等。在强烈灾害(如地震、风暴等)袭击下，生命线工程的破坏可以导致城市乃至区域社会、经济功能的瘫痪。例如：在1995年日本阪神大地震中，神户地区供水系统主干供水管网破坏1610处，导致11万用户断水，一周后仅修复三分之一，全部修复工作持续三个半月。与此同时，该地区供气系统、供电系统也都遭受了严重破坏。由于生命线工程系统的耦联作用，还导致了严重的次生灾害。20世纪70年代中期，由于美国圣费尔南多地震的影响，一批美国地震工程学家正式提出了生命线地震工程的概念旧。3J。实际上，若对生命线工程的研究对象与研究问题加以认真地考察，则不难发现：在研究对象上，生命线工程研究包括了生命线工程结构、生命线工程网络、复合生命线工程系统三个基本层次。而在研究问题上，则可以分为抗灾设计号|生态控制两大基本领域H J。近三十年来，在世界范围内，尤其是西方发达国家，对生命线工程研究的重视程度有增无减。例如：1998年，美国联邦紧急事务署与美国土木工程师学会联合成立美国生命线工程联合会(ALA)，统一协调生命线工程科学研究、技术开发与工程实践等方面的工作。2004年，在加拿大召开的世界地震工程大会上，生命线工程的研究进展被列为大会10个专题报告之一。由于生命线工程涉及到重大土木工程抗灾、工程系统的可靠性与耐久性、工程结构与工程系统的安全性监测与控制等土木工程发展中的一系列关键科学与技术问题，从一定意义上说，生命线工程研究已成为现代土木工程研究的基本推动力量。 在过去十年间，国内外在生命线工程研究中取得了系列的重要进展。以生命线工程抗震为例，主要进展包括： (1)在大尺度地震动场的物理模拟与随机地震动场研究中取得了有意义的进步； (2)在复杂结构的非线性破坏机理方面开始有了深入的认识。与材料本构关系研究相结合，确定了结构全过程、全寿命设计的基本概念，并逐步把关于结构非线性破坏机理的规律性认识应用于结构基于性态的设计理念之中； (3)对工程结构与工程系统中存在的不确定性进行了广泛的探索。概率密度演化分析理论的提出，有可能为大型复杂工程结构的抗灾可靠性设计奠定理论基础； (4)在大型复杂工程网络可靠性分析方面取得重要进展。以此为基础，现有研究工作已经将触角延伸到网络抗灾可靠性优化领域，从而可能实现工程系统层面的优化设计； (5)复合生命线工程系统的灾害模拟逐步得到重视，并在现代城市的综合灾害防御中开始占据一席之地。本文拟摘要概述上述研究进展，与此同时，简要评述国际上的相关研究状况。1 工程场地地震动随机场的波动数值模拟 在一般中小尺度结构的地震反应分析中，经常假定在结构基底各点处的地震动输入完全相同，即所谓的一致输人。然而，在研究实践中人们发现：对于大型桥梁、大跨空间结构(如机场建筑)、工程管线等生命线工程结构，采用一致输人假定可能导致结构地震反应的显著偏差。因此，如何正确地确定地震动空间变化模型，成为生命线工程抗震研究中带有基础性的课题之一。 20世纪90年代中期以前，关于地震动场的研究大多基于对密集地震动台阵强震记录的统计分析。其中，最具代表性的模型当推1996年Kiureian提出的多因子乘积形式的相干函数模型-8 J。研究发现：地震动相干函数模型大多存在对于特定强震观测台阵的依赖性问题。这在一定程度上揭示出场地因素对于地震动相干函数的影响。实际台阵观测记录表明：密集台阵基岩处的相干函数统计结果具有一定的稳定性，而非基岩场地的地震动相干函数，即使对于同一台阵记录也会表现出明显差异归。因此，在国际上出现了利用场地地震反应分析方法研究地震动相干函数的研究实例。例如，1997年，美国zea教授和她的合作者采用弹性半空间模型，解析求解了具有随机介质场地的地震动相干函数。在我们近年来的研究工作中，则从发展工程场地的随机波动分析方法人手，逐步完成了确定性介质场地的随机波动分析、随机介质场地的随机波动分析等系列研究工作，初步实现了一般工程场地的地震动随机场的波动分析技术。这一工作的基本内容如图1所示。 对于确定性工程场地，由廖振鹏院士提出的近场波动的有限元数值分析技术提供了场地地震反应分析的良好工具。当采用人工边界模拟无限域时，场地地震动的控制方程为： 式中：M、C、K分别为有限元方程决定的局部场地质量矩阵、阻尼矩阵与刚度矩阵；R(t)为随机波动输入；五为场地位移反应、速度反应和加速度反应向量；矗为人工边界点的位移向量，其上标表示计算时刻，下标表示空间离散计算点的坐标；为二项式组合系数。 考虑工程场地介质的随机性，式(1)中的C与K皆应为随机矩阵，这就引出了随机场地的波动分析问题。采用本文作者所发展的正交分解分析方法，可以通过引入关于随机响应向量的次序正交展随机波动方程及其边界条件转化为如下的扩阶系统方程与扩阶边界条件：式中：分别为扩阶质量矩阵、扩阶阻尼矩阵和扩阶刚度矩阵；F(t)为扩阶波动输入；为扩阶位移向量、速度向量和加速度向量；x为与人工边界点位移相对应的扩阶向量；为插值系数矩阵。 原则上，引用一般随机振动分析方法，即可求解式(3)、(4)所构成的基本方程，例如采用振型分解方法。然而，鉴于传统随机振动分析方法计算工作量较大，应用于扩阶系统方程将导致计算上的复杂性。因此，我们进一步引入林家浩教授提出的虚拟激励法求解上述扩阶系统方程，从而使计算工作量大大降低。 现有研究表明，采用上述随机地震动场的波动数值分析方法，可以分析任意类型的工程场地地震动场，给出以数值结果表示的地震动相干函数解答。例如，对于图2所示的阶梯地形变化场地，计算得到的地震动谱密度与相干函数结果如图3所示。分析这一结果可知，计算地震动相干函数定量地揭示了相干函数幅值随频率下降的趋势。这一现象在密集台阵观测中屡次出现而不能找到其合理的解释。我们的研究结果表明，这一现象源于两个物理背景：场地的随机性与基岩的非一致地震输入。2 结构非线性地震反应的概率密度演化分析多数生命线工程结构在遭遇强烈地震时会进人非线性工作阶段。结构非线性地震响应分析的关键难题是：如何正确反映结构的非线性与地震输入、结构物理参数的随机性。在经过长期研究之后，我们发现：在结构非线性地震响应分析问题中，结构非线性表现与结构本质随机性影响是互相耦联的。这种相互耦联作用使得结构层次的非线性反应在本质上具有不可精确预测的特性。深入研究结构的随机非线性反应问题，是解决这一问题的关键。经过长期探索，我们发展了概率密度演化分析理论，初步解决了上述问题。设一般多自由度非线性反应控制方程式中：M、C分别为结构质量矩阵和阻尼矩阵；x、x与x分别为结构加速度、速度与位移反应；为因随机本构反应关系导致的结构非线性恢复力，亭为随机本构关系中的随机参数；F(t)为随机动力荷载。实际工程中的结构动力学问题一般是适定的，即其解答存在且惟一。设在给定初始条件下，式(5)的解答 为： （6）其任一分量为： （7）由于的随机变量性质，与的联合概率密度可以表示为： (8)式中:分别对应于与的实现值；为Dirac符号；为的概率密度分布函数。将式(8)两边关于t求导，可得：称式(9)为广义概率密度演化方程。“广义”二字意味着菇；可以是任何设定的状态量(如位移、变形、内力、应变、应力等等)。采用差分方法，可以求解上述概率密度演化方程汹。而结构反应的概率密度，可以由式(10)给出：式中：为关于的积分区域。利用上述概率密度解答，容易给出结构反应的均值解答与方差范围。由于可以给出概率密度分布，便给出了结构非线性反应的精细化描述。由此，不难给出结构可靠度的准确刻划。非常有意义的是，上述概率密度演化分析方法恰恰是建立在确定性结构非线性分析基础上的。事实上，式(9)中的的求取，正是通过经典确定性结构非线性分析获得的。从一定意义上说，概率性非线性反应分析的结果，可以视为是确定性非线性分析结果的某种综合。将这种理性总结与结构线性分析和非线性分析、结构静力分析和动力分析在方法论上的联系相类比，不难发现其中深有意味的相似之处。图4是一个大型混凝土消化池的工程背景。对这二结构，采用概率密度演化分析给出的部分地震反应分析结果见于图5与图6。这一实例表明：随机结构地震反应的概率密度具有复杂的演化进程。3 大型生命线工程网络的抗震可靠度分析与优化为了提高生命线工程网络的抗震能力，需要进行生命线工程网络的抗震可靠度分析方法的研究。在国际上，这类研究可以划分为随机模拟算法与概率解析算法两种基本类别。关于网络系统可靠度随机模拟方法的研究，可以上溯至20世纪70年代末期。经过长期的研究与实践，人们在肯定其对于复杂网络的普遍适用性的同时，也发现这一方法存在若干不容忽视的弱点。举其要者，包括：(1)计算效率不高，计算精度不易估计。在研究实践中我们发现：对同一规模的不同问题，为提高一位有效数字，其计算时间可以相差数倍乃至10倍之多；(2)一般不能用于解决相关失效网络的可靠度分析问题；(3)不适合于进行网络系统的单元重要度分析，因之难以利用它进行系统的抗震优化设计。由于上述缺陷，近年来，对于网络系统可靠度分析的概率解析算法研究构成了系统可靠度研究的一条主线。就网络可靠度分析的概率解析算法而言，20世纪80年代末期以后的研究，多集中于不交最小路算法，如廖炯生、Abmham等人的研究。由于受系统复杂性的影响，此类算法很难适应于大型网络的抗震可靠度分析。事实上，在有关研究文献中，甚至看不到大于50个节点的网络分析实例。究其原因，在于计算中的组合爆炸问题难以有效地加以解决。在我们近年来的研究中，采用实时不交化的研究技术路线，发展了一类递推分解算法，现将其基本思想略述于下。设网络系统G的结构函数：式中：A。为系统的第后条最小路，K为系统的所有最小路数。不失一般性，设A，为系统G中的一条最短最小路，则根据布尔代数有：式中：Gi为从网络中去掉上述最短最小路中的第i条边口，i后形成的可连通子图；继续对各连通子图分别寻求最短最小路，并按最短最小路分解对应的连通子图。运用布尔运算法则进行化简与归并，则在最终不存在连通子图时，存在：式中：为第i个连通子图的一条最短最小路；为系统的所有连通子图数。令，则有： （15）显然，Li为经过归并运算后的全部不交最小路。上述递推分解过程表明，系统的结构函数不必如式(11)那样，通过事先求出系统的所有最小路来得到，而可以通过系统的最短最小路解，逐级地递推给出下一组互斥最小路集。由于通过对上述递推过程中产生的不连通子图的分析，可给出互补结构函数，进而利用概率不等式可以计算给出系统可靠度的上、下界，因此，可以采用上述递推过程实时地估计系统连通可靠度的近似值。结合一定的计算机编程技巧，可以大幅度地降低大型网络系统可靠度计算的复杂性。表1是对上海市内环城区主干供水管网进行抗震可靠度分析的部分结果。可见，对于具有434个节点，742条边这样的大型复杂生命线工程网络(图7)，递推分解法取得了成功。上述可靠度分析是建立在连通可靠性分析基础上的。对于城市生命线工程网络乃至区域电力网络，这种连通可靠性分析提供了系统抗震可靠度的基本度量。在此基础上，发展了基于连通可靠性分析的网络系统抗震优化算法1。图8即为对一实际城市进行供水网络抗震可靠度优化的结果。这一结果表明：在保证系统抗震可靠度的同时，通过网络系统优化，工程造价可以降低三分之一。4 研究发展展望生命线工程的研究包括工程结构与工程系统两个层次。在结构层次上的研究，由于生命线工程结构的类型普遍性和结构复杂性，产生了一系列具有深刻意义的关键科学与技术问题。而在工程系统层次的研究，则使传统结构工程的研究对象从单体结构发展到对于系统层次的考察，从而使在系统层次上实现工程的优化设计成为可能。总结国内外在生命线工程方面的研究进展与现代土木工程的一般发展趋势，作者认为：应该以生命线工程的抗灾性能设计号陛态控制为核心，进一步拓展传统生命线工程的研究领域，在工程抗震、工程抗风、工程抗爆、抗地质灾害等方面全面推进生命线工程的研究进展。在可以预期的未来，国内外生命线工程基础研究的基本发展趋势将表现在：(1)重视对于灾害作用机理的研究。采用数值模拟与现场实测相结合的手段，进一步深入了解大尺度地震动场、局部风场、以及灾害链效应赖以形成的基本机理，从而为结构设计乃至工程系统设计提供科学的支持背景；(2)在非线性破坏机理研究方面从基本构件向材料本构关系、结构性能两端延伸。在全过程、全寿命设计理念引导下，深入了解材料损伤本构关系、结构累积破坏机理与倒塌机制、结构性能退化机理及其与环境的关系等一系列问题的客观本质，为建立现代结构精细化设计理论提供基础；(3)区域性灾害危险性分析与大型工程网络系统安全性、可靠性研究的结合。在可以预见的将来，人们将不再满足于简单地按照使用功能要求设计生命线工程网络系统，而企图结合区域灾害背景、系统可承担风险、经济社会发展水平等方面的因素，综合实现复杂工程网络的设计与维护；(4)重视地下空间开发带来的新问题，在地下生命线工程研究中取得新的技术进步。在这里，现代试验技术的发展(如差动式地震模型振动台、远程综合试验技术等)及试验技术与数值模拟技术的结合将成为发展的基本特征；(5)先进复合材料、智能材料、先进传感技术、现代信息技术将在生命线工程研究中进一步发挥重要作用。在其中若干侧面，极可能引发持续的研究热潮并为生命线工程提供新的技术支撑工具；(6)拓展结构健康监测的概念，在工程系统安全性监测与系统灾变预警方面形成新的研究领域；5 结论 （1） 未装置粘弹性消能支撑时，结构在多遇和罕遇水平地震作用下，不能完全满足规范规定的要求。装置粘弹性消能支撑后，结构在多遇和罕遇水平地震作用下，位移反应明显减小，结构在抗震性能得到了较大的提高，完全满足规范规定的要求。（2） 要求8度抗震设防的供热锅炉主干房，当他的上部结构装置了粘弹性消能支撑后，其上部结构可以按降低1度进行设计，即按7度进行抗震设计。参考文献1 黄南翼日本阪神大地震建筑震害分析与加固技术M北京：地震出版社，19992 Duke c，Moran c F Guidelines for evolutions 0f lifeline eanhquake engineeringcPmceedings of usNational Conference on Earthquake Engineering，1975，367376 3 ORourke T D Less叫s le帅ed for lifeline enneeringfrom major urban eaIthquakecProcof 11“worldConference on Eanhquake En舀neering，No2172，19964 李杰复杂生命线工程系统的地震反应分析与行为控制J中国科学基金，1999，6：3353385廖松涛工程场地地震动相干函数数值分析D上海：同济大学，200l6 陈建兵随机结构非线性反应概率密度演化分析D上海：同济大学，20027 何军生命线工程网络系统抗震可靠度分析方法研究8 Kiureghian A D A coherency model for spatially valing gmund motionsJ Earthquake Enneering and StmcturaJ Dynamics，1996，25(1)：991119somerville P G，McIran J P，sen M K，et a1Theinnuence of site conditions on the spatial in coherence ofground motionsJsctusty，1991，10(1)：11410 schneider J F，stepp J c，Abrahson N AThe spatial vadation of earthquakeDund motion and efcts of localsite conditionsCProc of 10th Wodd Conference onEanhquake Enneering，1992，2，9679721 1 zerva A，Hamda TEffect of surface layer stochasticity onseismic gmund motion coherence and Hin estimesJSoil Iynics aIld Earthquae Enneeng， 1997， 16：44545712 廖松涛，李杰工程场地随机地震波动分析方法研究J同济大学学报，2002，30(2)：17317613李杰，廖松涛考虑岩土介质随机特性的工程场地地震动随机场分析J岩土工程学报，2002，24：68568914 liao Songtao，li JieA shastic App”oach to siteResponse C0frlponent in Seismic Ground Motion Coherency ModelcProceeding 0f the lO山Intemaal conferellceSoil Dynamics&Earthquake Enneering，Philadelphia，USA，0ctober，200115 李杰复合随机振动分析的扩阶系统方法J力学学报，1996，28(1)：667516 李杰随机结构系统分析与建模M北京：科学出版社，199617 廖振鹏近场波动问题的有限元解法J地震工程与工程振动，1984，4(2)：11418 廖振鹏工程波动理论导引M北京：科学出版社，1996：32219 林家浩随机地震响应的确定性算法J地震工程与工程振动，1985，5(1)：899420 李杰，陈建兵随机结构动力反应分析的概率密度演化方法J力学学报，2003，35(4)：43744221 李杰，陈建兵随机结构非线性动力反应分析的概率密度演化分析J力学学报，2003，35(6)：71672222Li Jie;Chen Jianbing Probability density evolution method for dynamic response analysis ofstructures with uncertain parameters 200423Li 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