水工钢闸门概率—非概率—模糊混合可靠性模型及其应用研究

Design Code for Steel Gate in Water Resources and Hydropower Projects (SL74-2013), promulgated in China in 2013, continued to use the allowable stress design method. There are two main reasons for this situation. First, research into the reliability theory based on probability for steel gate is still not complete and in-depth. Secondly, it is difficult to acquire enough statistical data. With a consideration of data diversity, small failure probability level, multiple failure modes, and computational complexity, this project is planned to employ integrated means, including surveys and statistics, theoretical modeling, comparative analysis, numerical calculation, etc., to further study the reliability theory of hydraulic steel gate systematically. A probabilistic, non-probabilistic and fuzzy hybrid reliability model of steel gate is proposed. Several key problems underlying this model are investigated thoroughly, such as expressing different types of design variables as probabilistic, non-probabilistic or fuzzy variables, solving the non-probabilistic reliability index, and the efficient method for propagating hybrid model uncertainties from the variables to the structural reliability. The representation and solution methods of reliability index of components and gate structure systems, and the corresponding design expressions are also developed. Generally, this project will propose a reasonable and efficient method for steel reliability evaluation and computation. It can provide theoretical basis and technical supports for gate risk mitigation. The importance and practical values are significant, particularly for the design code revision.

2013年我国修订颁布的水利水电工程钢闸门设计规范(SL74-2013)仍然沿用容许应力法，其主要原因是水工钢闸门可靠度理论研究还不够深入、完善，以及缺少概率可靠度方法所需的统计数据。本项目针对钢闸门设计参数的多样性、小失效概率水平、多失效模式和结构计算的复杂性，通过调查统计、理论建模、对比分析和数值计算等手段，进一步系统研究钢闸门结构概率可靠度理论；并提出水工钢闸门概率—非概率—模糊混合可靠性模型，系统研究几个关键问题：不同类型设计变量的概率、非概率和模糊的描述方式，非概率可靠性指标的确定，混合模型不确定性扩展的高效计算方法等。探讨闸门结构构件和体系可靠性的表示和求解方法，并提供相应的设计表达式。本项目提出一整套科学合理、高效实用的钢闸门可靠度分析与计算方法，从而为钢闸门灾害预防提供理论依据和技术支撑，研究成果具有重要的理论意义，也可供水工钢闸门设计规范修订时采用。

目前水工钢闸门设计规范仍然采用容许应力法，显然大大落后于形势。究其原因，主要是存在基本变量统计参数不明确、理论研究不够深入及完整、缺少成熟的可靠度设计方法等问题，本项目通过进一步收集数据并进行统计分析、对可靠度理论方法进行对比研究以及数值模拟等方法，对闸门可靠度问题作了系统的、深入的研究。主要研究内容和成果有：. （1）通过收集数据资料并进行统计分析，首次得到了露顶式闸门与潜孔式闸门的静水压力分布类型及统计参数，得到了露顶平面滑动闸门、潜孔平面滑动闸门、露顶平面滚轮闸门、潜孔平面滚轮闸门、露顶弧形闸门及潜孔弧形闸门具有较高精度的自重计算公式。（2）基于静水压力新的统计参数，得到了更为准确的闸门设计规范各构件的可靠度指标。（3）从区间可靠度理论角度对闸门进行了可靠度分析，指出了目前以无穷范数定义的区间可靠指标存在缺陷。（4）研究了混合可靠度理论在闸门上的应用，探讨了不同变量间的转换方式，构建了闸门概率－区间混合、概率－模糊混合模型，给出了相应的计算方法。（5）基于专家调研结果，首次依据改进的模糊层次分析法，对平面露顶闸门、平面潜孔闸门、弧形露顶闸门及弧形潜孔闸门进行了可靠度分配，并得到了具有较高参考价值的结果。（6）初步研究了卷积型非粘滞阻尼模型在闸门动力学上的应用，给出了具有较高精度的计算方法。（7）总结已有成果，根据相关标准和规范的规定，给出了闸门按概率可靠度方法设计的建议公式，可供闸门设计规范修订时参考使用。