非恒定流作用下抛石丁坝使用寿命预测方法研究

摘要

丁坝是河道当中常用的整治建筑物之一，它具有束窄河床、壅高水位、调整比降等作用，在航道整治工程中，发挥着不可替代的作用。目前，在机械工程、结构工程等领域，可靠度设计理论已经十分成熟，但航道整治建筑物方面的可靠性设计理论还十分滞后，依然处于起步阶段。因此，为进一步丰富航道整治建筑物的研究内容以及为今后实际工程提供技术参考，对非恒定流条件下抛石丁坝的可靠性及寿命进行研究是十分有必要的。
　　本文基于国家自然科学基金项目“非恒定流作用下山区通航河流丁坝水毁机理及计算仿真研究”(51079165)和国家重点研发计划课题“复杂多分汊河段航道滩槽调控技术及示范”(2016YFC0402106)，借助实验室前期试验数据，以长江上游最常用的航道整治建筑物抛石丁坝为研究对象，在对抛石丁坝水力特性和水毁机理充分研究的基础上，分别从非恒定流和疲劳可靠性分析理论的角度开展抛石丁坝可靠性及使用寿命的研究，对其使用寿命进行了探讨，给出了设计使用年限设定的建议。本文的研究结论简述如下:
　　(1)首次从基础统计理论出发，借助概率论中假设检验知识，通过多种假设检验的方法对模型流量过程、五十五年的原型日均流量、脉动压强、纵向瞬时流速进行检验，并最终认为模型流量过程的流量服从对数正态分布，五十五年原型日均流量服从正态分布，脉动压强服从对数正态分布，纵向瞬时流速服从正态分布;给出了模型流量过程和脉动压强的概率密度函数，为能够从结构可靠度理论出发对其进行仿真模拟提供了研究基础;
　　(2)结合实际工程需要，对抛石丁坝的可靠度和使用寿命做出新的定义，使其更加便于应用在工程实际;考虑航道整治建筑物的设计现状，结合结构工程方面设计使用年限的确定方法，给出抛石丁坝这一广泛应用的航道整治建筑物的设计使用年限;
　　(3)从“最大冲深”的角度给出抛石丁坝需要“人工干预”维修管理的标准，作为丁坝失效的判据;基于流量过程和最大冲深，用非恒定流的流量过程出现频率作为可靠性的评价标准;
　　(4)从结构工程和机械工程等领域中的疲劳可靠性分析理论出发，将丁坝的寿命按照对数正态分布进行研究，推导出丁坝可靠度计算公式和使用寿命计算公式。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 可靠度理论及使用寿命研究进展

1．2．2 可靠度理论在航道整治建筑物中的应用现状

1．3 本文的研究思路和主要内容

1．3．1 研究思路

1．3．2 主要研究内容

第二章 概率论及可靠度相关知识

2．1 概率论基本理论

2．1．1 随机变量

2．1．2 抽样分布

2．1．3 参数估计

2．1．4 假设检验

2．1．5 两种常用的分布类型

2．2 结构可靠度基本理论

2．2．1 功能状态描述

2．2．2 可靠度的参数表示

2．2．3 结构可靠度计算常用方法介绍

第三章 概化模型试验设计

3．1 引言

3．2 水槽概化模型设计

3．2．1 模型设计主要依据

3．2．2 模型丁坝结构设计及比尺确定

3．3 试验方案制定

3．3．1 清水定床试验

3．3．2 清水动床试验

3．4 小结

第四章 基于概率模型的抛石丁坝可靠度及寿命分析

4．1 引言

4．2 丁坝可靠性及寿命定义

4．2．1 丁坝可靠度的定义

4．2．2 丁坝使用寿命的定义

4．3 假设检验

4．3．1 流量过程的假设检验

4．3．2 实际流量过程日均流量的假设检验

4．3．3 纵向瞬时流速的假设检验

4．3．4 脉动压强的假设检验

4．3．5 模型流量和脉动压强的概率密度函数

4．4 基于流量过程和最大冲深的可靠性及寿命分析

4．4．1 流量过程经验频率推求

4．4．2 丁坝失效准则

4．4．3 基于可靠性的抛石丁坝寿命预测

4．4．4 流量过程和最大冲深的关系分析

4．5 基于流量过程和脉动压强的可靠性分析

4．6 基于流量过程和纵向瞬时流速的可靠性分析

4．7 小结

第五章 基于疲劳可靠性理论的的丁坝可靠性分析

5．1 引言

5．2 基于洪水循环冲击作用的可靠度计算

5．2．1 疲劳可靠性分析方法的可行性分析

5．2．2 常幅流量洪水循环冲击的可靠性分析

5．2．3 多种振幅流量洪水循环作用下丁坝失效概率公式推导

5．3 使用寿命预测研究

5．4 算例

5．5 小结

第六章 结论及展望

6．1 主要研究结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果