地震作用下混凝土坝时变动力可靠度概率密度演化方法研究.PDF

水 利 学 报 2017年11月 SHUILI XUEBAO 第48卷 第11期 文章编号：0559-9350（2017）11-1348-07 地震作用下混凝土坝时变动力可靠度的概率密度演化方法研究 1，2 1 1 陈健云 ，贾启彬 ，徐 强 （1. 大连理工大学 工程抗震研究所，辽宁 大连 116024； 2. 大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024） 摘要：随着混凝土坝运行时间增加，坝体材料性能逐渐退化，其抗震能力降低，所以有必要对大坝进行全寿命周 期抗震安全评估。本文基于概率密度演化理论提出一种混凝土坝全寿命周期抗震性能概率分析方法。该方法同时 考虑坝体材料的随机性和时变性，引入相对位移角作为性能综合评价指标。首先建立服役时间内坝体动力非线性 响应极值的概率密度演化方程，然后结合等价极值事件求得初始条件，并运用差分法求解方程，最后在安全域内 对求解结果积分给出时变动力可靠度。通过算例验证了本文方法的可行性。结果表明，所建议方法能够获取坝体 抗震性能在整个服役寿命的概率演化信息和动力可靠度时变规律，且与蒙特卡洛法对比具有较高的计算精度和计 算效率。 关键词：混凝土坝；退化；全寿命周期；概率密度演化；等价极值事件；时变动力可靠度 中图分类号：TV642 文献标识码：A doi ：10.13243/ki.slxb 1 研究背景 我国西部地区既是水能资源丰富的地区，也是地震频发的地区。混凝土坝在长期运行过程中不 ［1］ 可避免地遭受各种外界环境和外部荷载的影响 ，导致坝体的抗震能力随时间逐渐退化，进而可能引 起大坝在地震作用下面临溃决灾变的风险，造成人员伤亡和经济损失。所以对混凝土坝进行全寿命 ［2］ 周期抗震安全性能评估有着重要意义 。 混凝土坝所处外界环境的不确定性以及大坝本身性能的变异性促使人们用可靠度方法来评价其安全 性。当这些不确定性的因素同时具有时变性时，可靠度变的十分复杂且计算量巨大，因此在水工领域关 ［3］ 于时变可靠度的研究有限。刘宁等 考虑了温度场、徐变应力场和混凝土强度的随机性并结合随机有限 ［4］ 元计算了混凝土重力坝的时变可靠度；张俊芝等 在系统可靠度的基础上探讨了服役混凝土重力坝系统 ［5］ 可靠度随时间的变化；杨志刚 应用灰色理论对随机变量时变性进行预测，同时引入了混凝土损伤变量 ［6-8］ 对混凝土重力坝时变可靠性进行了分析；姜树海等 分析了大坝运行过程中各种随机变量的时变特性对 ［9-11］ 大坝防洪安全和堤坝渗流风险的影响；苏怀智等 相继将信息熵理论、模糊概率理论、相关性分析、多 失效模式和非概率可靠度等方法运用到了混凝土重力坝的时变可靠度分析中。上述研究均考虑了大坝服 役过程中结构可靠度的变化，结合时变特性运用传统瞬时可靠度分析方法对大坝进行可靠性评价。但是 由于传统可靠度方法的限制，时变可靠度的分析仅局限于有限的离散时间点。另外，抗震动力性能作为 ［12-16］ 大坝服役期间一个很重要的研究对象，并未具体出现在上述研究当中。虽然也有学者 对混凝土坝随 时间变化的抗震能力进行了相关研究，但是并未考虑环境及坝体自身的不确定性，缺少大坝安全的可靠 性评价，所以有必要针