山洪作用下村镇工程结构易损性研究

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我国是一个受山洪灾害影响十分严重的国家,每年都将造成大量的人员伤亡和财产损失。山洪灾害具有突发性强,破坏力大,预警预报困难等特点,现有的基于经验统计的易损性模型难以反映山区常见工程结构可能发生的结构性破坏,给山洪风险管理带来困难。为预测高风险地区工程结构在山洪灾害作用下的破坏,本文将以可靠度分析方法作为基本理论,分别研究了住宅砌体结构和桥梁结构在水流荷载作用下的失效模式和相应的极限状态功能函数,并进一步基于蒙特卡洛模拟方法对这两类结构可能产生的破坏概率进行量化。主要研究内容如下:基于VOF方法建立气液两相流模型,模拟了山洪冲击砌体结构的过程,并通过模型溃坝试验结果验证了该模型能够较好地反映水流演进过程和结构表面的压力。考虑山体平均坡度、地面粗糙度、建筑距离坡脚的距离等因素,分析了其对单体砌体建筑受水流冲击时的压力峰值及分布的影响。此外,设置并行排列和交错排列两种布置方式,考虑了群体建筑受山洪冲击时的荷载分布。采用简化的砌体结构微尺度建模方法建立砌体墙有限元模型,基于已有的试验结果验证了该方法的可靠性。以我国常见的单层砌体建筑为对象,根据墙体有无开洞、顶部有无约束等情况,得到了墙体在平面外荷载作用下发生破坏所对应开裂模式;基于屈服线方法推导了砌体墙在平面外极限承载力,并与微尺度模型结果进行对比。最后,采用可靠度方法计算得到各类型墙体在山洪荷载作用下的易损性。以山区常见的桩顶式小型桥梁为对象,通过非线性弹簧建立了考虑土壤侧向约束作用时的钢筋混凝土桩基模型。考虑不同水力条件、冲刷深度、结构材料参数以及几何参数,建立BP神经网络代理模型以预测桥梁桩身的最大位移和弯矩响应。考虑土壤空间分布不确定性对桩基响应的影响,基于代理模型建立功能函数,分别以弯矩和位移为指标,模拟分析得到了桥梁结构在洪水作用下的易损性模型。利用HEC-RAS水动力软件对小金川河堰塞坝溃决洪水演进进行二维数值模拟,得到该地区的水深和流速分布等结果;结合开发的两类结构的易损性模型,对该区域的住宅结构和桥梁结构进行了结构破坏的风险评估。
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