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原文传递盾构地铁运营安全时变相依性建模与结构安全可靠性分析

论文题名：	盾构地铁运营安全时变相依性建模与结构安全可靠性分析
关键词：	盾构地铁;运营安全;风险管理;可靠度评价;时变相依性
摘要：	地铁线路网逐渐成为了辐射一座城市的交通命脉，随之而来的地铁运营安全问题受到社会的广泛关注。盾构地铁结构作为城市里的重大地下结构，其所赋存的环境具有周围环境复杂、受到诸多不确定性因素作用、临近重要构筑物、列车运行密度极高、使用条件苛刻等特点，再加上在多源不确定性因素的长期作用下，地铁隧道的承载性能逐渐退化，诱发结构病害的出现，且一旦受损，维修难度较大，对城市的交通的正常运作造成巨大的影响，这些因素表明，必须要对城市盾构地铁结构的健康服役和安全可靠性提出较严格的要求。　　本文以研究盾构地铁结构运营安全影响规律为出发点，以致险因素影响规律分析-数据采集与处理-突发荷载下地铁运营安全时变评价-运营盾构地铁的安全可靠性全面精准评估为主线，结合采用有限元建模、代理模型拟合、敏感性分析、结构健康监测、压缩感知技术、Copula理论、贝叶斯更新理论、可靠性分析理论、MCMC算法、Pair-Copula分解理论和贝叶斯网络等技术，深入分析周围多源不确定性因素作用对盾构地铁结构安全性的影响规律，利用健康监测技术获得盾构地铁结构实时状态监测信息，并利用贝叶斯更新技术、贝叶斯网络模型和Copula理论构建相依性PCBN模型对运营地铁的安全状态进行精确评估，从而为运营盾构结构的安全管理提供信息支持，本文的主要研究工作如下：　　（1）为减少因知识缺乏而产生的认知不确定性，为后续的健康监测以及结构安全性评估指标体系的构建提供设计依据，从分析周围多源不确定性因素作用对盾构地铁结构安全性的影响规律的角度，结合采用随机有限元（SFEM）、基于粒子群优化算法的最小二乘法支持向量机（PSO-LSSVM）和傅里叶幅度灵敏度检验扩展法（EFAST），分析病害风险因素对结构安全状态影响的参数全局敏感性。根据文献调研、规范查阅和现场勘查，得出可能对盾构地铁的结构安全造成影响的病害因素，构建以风险因素为输入指标，结构响应为输出指标的盾构地铁安全状态评价指标体系。对于不同的输出参数指标，对其响应结果贡献最大的输入指标并不相同，而在工程中若不方便监测某些指标，则可以采用监控对其影响较大指标的方式来进行。通过参数敏感性分析甄别出灵敏度较高的风险因素，用助于盾构地铁结构的风险源识别及风险因素管理，能够提高考虑系统不确定性因素作用下的结构分析的稳健性。　　（2）基于致险因素全局敏感性分析的基础上，针对风险较大的致险因素和常见的风险病害因素构建一套结构健康监测系统。从获得盾构地铁结构实时状态监测信息的角度，利用系统建模方法，研究构建一套完整的结构健康监测系统（Structural Health Monitoring System，SHMS），将该监测系统运用于武汉地铁三号线某空推段实际工程中，连续且持续地监测地铁结构的实时安全状态，为地铁工程参与各方加强了解地铁盾构运营安全状态信息，实现地铁盾构运营安全管理智能预警决策提供有力的辅助支持。另外，由于利用健康监测系统，每天能够得到千万级别的数据，特别是加速度传感器的监测数据，其根据其监测频率的不同，一个传感器每天能得到百万至千万级别的数据，故而，本文通过压缩感知技术对健康监测数据进行处理，通过对原始数据的压缩，对运营地铁的结构健康监测数据进行压缩和重构，减少对原始监测数据的传输和存储压力，对数据进行数据降噪处理、奇异性检测和消除、数据压缩处理，以提高地铁健康监测数据的信息准确性，以期根据数据挖掘的相关理论得出目前的盾构地铁结构的安全状况，并对采取的地铁安全维护措施进行决策支持。　　（3）为评估突发堆载作用下地铁运营安全，需在有限的监测数据基础上完成盾构地铁结构的运营安全评估，基于全局敏感性分析成果和相关的文献资料，选取净空收敛（CD）和差异沉降（DS）作为评价盾构地铁结构安全可靠性的评定指标。从运营盾构地铁的安全可靠度时变动态评估的角度，结合利用Copula相依性建模理论能够准确的描述二元参数之间的相关性的特点，并结合贝叶斯更新技术能够体现时变效应对模型的影响的特征，提出了基于Copula函数和参数贝叶斯更新的CD和DS二元离散时变相依模型构建过程，并以武汉地铁2号线某段区间为工程背景，经过AIC和BIC准则识别出Weibull分布为最优边缘分布函数，Frank Copula函数为拟合CD和DS二元离散时变相依模型的最优Copula函数，能够较为敏感的捕捉到盾构地铁结构安全性的变化规律，验证该模型的准确性和实用性。利用本章构建的二元离散时变相依模型，能够较为敏感的捕捉到在时间效应作用下盾构地铁结构安全性的变化规律，具有较大的借鉴参考意义和推广价值。　　（4）从运营盾构地铁的安全可靠性全面精准评估的角度，参考全局敏感性分析结果和相关的文献资料，选取11个监测指标作为评价盾构地铁结构安全可靠性的评定指标。依据轨道交通地下结构健康监测系统中经过压缩重构后的监测数据，在二元离散时变相依模型的基础上，提出了11维节点的基于Pair-Copula贝叶斯网络（PCBN）模型，并结合可靠度分析理论构建多元监测指标与结构安全状态之间的隐性非线性映射关系，用于实现运营盾构地铁结构的安全状态动态评价决策。利用贝叶斯网络可以构建健康监测节点的相关性网络结构，再利用Pair-Copula理论能够构建多元节点的联合概率分布，通过AIC、BIC和DIC准则确定拟合效果最好的Copula函数，对各个边的拟合情况进行Rosenblatt转换检验，得出的统计量Sn(θ)及P值，结果表明利用Pair-Copula理论构建的PCBN上各条边的相依结构，能够准确的捕捉节点之间的相关关系。从3个角度来分析节点之间相关性，结果表明，通过Pair-Copula理论可以构建参数的相依性模型，能够更精确构建这些属性的在高维状态空间中的分布规律，同时，也表明该模型能够用于盾构地铁结构的安全可靠度精确评估。本文以武汉地铁三号线某空推段为工程背景进行PCBN网络模型建模，选取三种不同的失效模式，用以评判运营盾构地铁结构的失效概率，从而得到其安全可靠度。结果表明，PCBN网络模型得出的地铁安全状态与地铁工程中的实际风险信息非常吻合，体现了本文构建PCBN网络模型的准确性和实用性。
作者：	刘文黎
专业：	结构工程
导师：	吴贤国
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文