一种基于状态树的铁路站房震后功能水平评估方法

技术领域

本发明属于建筑结构抗震设计领域，具体涉及一种基于状态树的铁路站房震后功能水平评估方法。

背景技术

铁路站房作为铁路网的重要组成部分，承担着调度列车、运输人员和集散物资等重要任务，是抗震救灾的生命线工程之一。基于其功能需求，铁路站房主要可以划分为建筑和专业设备两个部分。建筑方面主要由进出站集散厅、候车厅、售票用房，客运作业及附属用房、行包用房及旅客服务商业用房等构成。这些房屋主要包括大截面梁柱、楼面加速度大的吊顶板，高厚比大的填充墙等结构构件和非结构构件。专业设备方面主要由列控机柜、联锁机柜、移频柜、继电器组合柜等用于控制列车安全高效运行的专业设备构成。强烈地震后铁路站房一旦出现较大的破坏，导致铁路运输中断，会造成严重的影响。因此，为保证震后灾区的交通运输能力，有必要对铁路站房的功能进行震前预测和震后快速评估。

“基于状态树的方法”是通过描述建筑的基本构件组成，并结合成功路径法，建立状态树模型，以表述不同基本构件之间的功能逻辑关系，再根据其中构件的易损性，得到建筑的失效概率，从而评估建筑震后功能水平。基于状态树的方法可分析不同基本构件之间的逻辑关系，且可显示的考虑各基本构件对系统功能的影响，并有效地减小了计算量，适合建立复杂系统的功能逻辑关系，可以有效用于复杂功能建筑结构的震后功能水平评估。

通过对现有的专利及相关技术的检索发现，现有基于状态树的评估方法主要有：一种基于状态树的飞机故障诊断及故障维修方法(CN110386266B)，该方法建立飞机功能的状态树模型，用来诊断飞机故障，并给出维修方法。一种基于状态树的对话管理方法(CN109933654A)，该方法将对话过程中的话题状态存储状态建立状态树模型，有效的提高了问答效率，更高效的理解客户的真实意图。一种基于状态树的室内人员区域间运动事件检测方法(CN107228669B)，该方法建立了描述传感器事件序列动态的状态树构建算法和基于状态树的运动事件检测方法，可有效消除室内人员运动干扰和传感器瞬时故障等对运动事件检测的不利影响。

上述基于状态树的方法主要对研究对象的常态下的功能进行预测，并未聚焦于地震后的建筑功能状态研究，也未针对铁路站房开展分析。铁路站房震后功能需求较其他建筑有所不同，其结构构件、非结构构件和专业设备复杂，其各个构件之间的功能逻辑关系存在明显差异。目前，尚无针对铁路站房震后功能水平评估的方法。故有待出现一种基于状态树的铁路站房震后功能水平评估方法。

发明内容

针对目前尚无针对铁路站房震后功能水平评估的有效方法这一技术问题，本发明提供了一种基于状态树的铁路站房震后功能水平评估方法。

本发明的一种基于状态树的铁路站房震后功能水平评估方法，利用多个状态树来界定铁路站房的不同功能水平，并结合蒙特卡洛模拟来确定铁路站房震后处于不同功能水平的概率；首先，确定待评估铁路站房基本信息和易损性信息，并将其震后功能状态划分为全部功能完好，基本功能完好，功能失效3种；然后，依据铁路站房内部构件的功能逻辑关系，建立2个功能状态树模型界定3种功能水平；最后，开展时程分析和蒙特卡洛模拟，确定震后铁路站房处于各个功能水平的概率。具体包括以下步骤：

步骤1：选择待评估铁路站房，收集其基本信息，包括以下方面：

a)铁路站房所在的场地信息、地震分组信息、荷载分布以及建筑材料信息。

b)铁路站房结构形式，梁、柱、楼板的截面尺寸信息，以及连接节点的构造形式。

c)进行荷载统计和荷载组合计算，建立结构数值分析模型。

步骤2：梳理铁路站房中影响其功能的主要结构构件、非结构构件和专业设备，建立其性能模型，包括以下方面：

a)铁路站房各层中的结构构件、非结构构件和专业设备的数量、造价信息。

b)铁路站房各层中的结构构件、非结构构件和专业设备的易损性信息，并将其划分为加速度敏感型和位移敏感型构件。

步骤3：划分铁路站房的功能水平状态，包括全部功能完好，基本功能完好和功能失效3种状态；铁路站房全部功能完好是指铁路站房的列车运行不受影响，具备全部功能；铁路站房基本功能完好是指通过铁路站房的列车需要限速运行，且铁路站房与铁路站房的区间内只能保证1辆列车限速运行，运输效率较低；铁路站房功能失效指铁路站房无法获取列车运行信息，不能调度列车，无法保障列车安全运行。

步骤4：建立2个铁路站房功能的状态树模型M

a)建立铁路站房功能的状态树模型M

b)建立铁路站房功能的状态树模型M

步骤5：选择地震动记录，对结构进行设防地震和罕遇地震水平下的时程分析，计算铁路站房结构的最大层间位移角θ和楼层峰值加速度FPA，确定铁路站房每层的最大层间位移角和楼层峰值加速度均值μ和标准差σ。

步骤6：判断状态树模型中各个构件的损伤状态和功能状态树的顶层功能情况，包括以下方面：

a)对每个基本构件生成一个0-1的随机数，将各构件的随机数和其功能失效概率阈值比较，当随机数小于功能失效概率阈值，认为该构件可以正常工作；当随机数大于功能失效概率阈值，认为该构件失效。

b)根据各基本构件之间的逻辑关系和状态树模型的计算规则，分析该次地震动作用下各子系统的状态树模型M

步骤7：结合状态树模型的顶层功能情况，判断铁路站房功能水平，包括以下方面：

a)当状态树模型M

b)当状态树模型M

c)当状态树模型M

步骤8：开展不小于1000次的蒙特卡洛模拟，确定每次模拟后铁路站房中各个构件的损伤状态。

步骤9：计算蒙特卡洛模拟后铁路站房于各个功能水平的次数，确定铁路站房震后处于各个功能水平的概率，如公式(1)所示。

式中：P

本发明和现有技术相比的有益技术效果为：

本发明可用于铁路站房震后功能水平的评估和预测，通过梳理影响铁路站房功能的结构构件、非结构构件和专业设备的功能逻辑关系，建立2个铁路站房功能状态树模型，用以界定铁路站房全部功能完好，基本功能完好，功能失效3种功能水平。同时，采用蒙特卡洛的方法开展不少于1000次的模拟，考虑地震动的不确定性，并给出震后铁路站房处于各个功能水平的概率。所提出的基于状态树的铁路站房震后功能水平评估方法具有计算过程简单，计算步骤开放、结构针对性强等特点，能有效评估或预测震后铁路站房功能水平，为投资人、用户、决策者等群体提供更直观的参考，为铁路站房的抗震设计和震后功能研究提供依据。

附图说明

图1为本发明基于状态树的铁路站房震后功能水平评估方法流程图。

图2为实施例中待评估的铁路站房。图2中：2-1、一层候车室；2-2、二层候车室；2-3、列车；2-4、天桥。

图3为实施例中待评估的铁路站房数值模型。

图4为实施例中典型构件的易损性曲线。

图5为实施例中铁路站房功能状态树模型M

图6为实施例中铁路站房功能状态树模型M

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的一种基于状态树的铁路站房震后功能水平评估方法流程图如图1所示，具体为：

步骤1：选择待评估铁路站房，该铁路站房包括第一层、第一夹层、第二层、第二夹层、屋面层共5层，如图2所示；明确该铁路站房的基本信息，包括以下方面：

a)该铁路站房设防类别为标准设防类，结构安全等级为二级，抗震设防烈度为8度(0.3g)，场地类别为II类，结构设计使用年限为50年；铁路站房主要荷载取值如表1所示，铁路站房主要材料如表2所示。

表1主要荷载取值

表2主要材料

b)该铁路站房结构形式为混凝土框架结构与钢结构正方四角锥网架的组合，屋盖类型为正放四角锥网架，梁、柱、楼板的截面尺寸信息，如表3所示。

表3铁路站房结构平面布置参数

c)对该铁路站房结构进行荷载统计和荷载组合计算，建立选择有限元软件Midas/Gen来建立铁路站房结构数值分析模型，如图3所示。

步骤2：梳理铁路站房建筑中影响其功能的主要结构构件、非结构构件和专业设备，确定其易损性曲线，并建立其性能模型，包括以下方面：

a)统计铁路站房各层中的结构构件、非结构构件和专业设备的数量和类型，如表4所示。

表4铁路站房易损性组构件

b)统计铁路站房各层中的结构构件、非结构构件和专业设备的易损性信息，将其划分为加速度敏感型和位移敏感型构件；其中，结构构件的损伤分为4个等级，非结构构件和设备的损伤分为3个等级，典型构件的易损性曲线示例，如图4所示。

步骤3：依据铁路站房的运行模式，划分铁路站房的功能水平状态，包括全部功能完好，基本功能完好，功能失效3种状态。

铁路站房全部功能完好是指震后铁路站房的列车运行不受影响，具备全部功能，需要铁路站房中供电功能，联锁功能，列控功能，区间功能，调度集中功能和基础功能这6个子功能完好；铁路站房基本功能完好是指铁路站房的列车需要限速运行，且铁路站房与铁路站房的区间内只能保证1辆列车运行，运输效率较低，要求供电功能，联锁功能，列控功能，调度集中功能和基础功能完好；铁路站房功能失效指铁路站房无法获取列车运行信息，不能调度列车，无法保障列车安全运行；当供电功能、联锁功能、列控功能和基础功能中任一失效，则铁路站房处于该功能水平。

步骤4：依据铁路站房的不同功能水平状态，结合各个构件的功能逻辑关系，建立基于铁路站房功能的状态树模型。

a)建立铁路站房功能的状态树模型M

b)建立铁路站房功能的状态树模型M

步骤5：选择地震动记录，对铁路站房结构进行设防震和罕遇地震水平下的时程分析，确定铁路站房的最大层间位移角和楼层加速度的均值和标准差，如表5和表6所示。

表5设防地震作用下铁路站房地震响应

表6罕遇地震作用下铁路站房地震响应

步骤6：确定铁路站房中各个构件的损伤状态,采用状态树模型判断铁路站房震后功能情况。

a)依据铁路站房每层的最大层间位移和楼层峰值加速度均值μ和标准差σ，基于构件损伤的易损性指标，判断各个构件的损伤状态；在1次蒙特卡洛模拟中，首先生成0～1之间的随机数，若生成的随机数小于或等于该构件易损性曲线所确定的失效概率，则认为该构件失效，若生成的随机数大于构件易损性曲线所确定的失效概率，则认为该构件成功即正常运行；此处给出某次蒙特卡洛模拟的构件损伤状态结果，如表7所示。

表7某次蒙特卡洛模拟后的构件损伤状态

b)基于各个构件的损伤状态，结合和各个构件之间的功能逻辑关系，计算设防地震作用下和罕遇地震作用下状态树模型的各个分支通路情况；此次模拟结果中，在设防地震作用下，功能状态树模型M

步骤7：结合状态树模型的顶层功能情况，判断铁路站房功能水平。

此次模拟结果中，在设防地震作用下，功能状态树模型M

步骤8：采用蒙特卡洛方法考虑地震动的不确定性，确定不小于1000次模拟后的铁路站房各个构件的损伤状态。

a)基于11条地震动作用下的铁路站房每层最大层间位移和楼层峰值加速度均值μ和标准差σ，开展1000次的蒙特卡洛模拟，有效考虑地震作用的不确定性。

b)基于构件损伤的易损性指标，判断1000次蒙特卡罗模拟后的各个构件损伤状态；

步骤9：计算每次蒙特卡洛模拟后铁路站房的功能水平，依据公式(1)计算铁路站房各个功能水平的概率，如表8所示。

表8铁路站房各个功能水平的概率

公式(1)为：

式中：P