一种考虑服役劣化-火灾全过程耦合作用的盾构隧道抗火韧性提升设计方法及系统

本发明属于盾构隧道防灾减灾和结构韧性设计，尤其涉及一种考虑服役劣化-火灾全过程耦合作用的盾构隧道抗火韧性提升设计方法及系统。

背景技术：

1、盾构隧道在长期运营过程中会不可避免地出现裂缝、渗漏、接缝张开、螺栓退化、防火层老化以及材料性能劣化等多种病害。这些病害不仅削弱结构常态下的承载与防水性能，更会改变结构火灾前的初始状态，在高温作用下裂缝成为热与烟气通道，渗漏水可能引发蒸汽压力升高，接缝张开与螺栓退化降低管片整体约束，防火层老化与材料劣化直接削弱防火隔热能力与力学性能，导致病害与火灾作用之间产生明显的耦合放大效应，使得结构实际抗火性能远低于基于完好状态所评估的结果。

2、目前在隧道抗火设计领域，现有技术方法大多侧重于火灾后的损伤识别与剩余承载力评价，或针对单一防火构造进行设计。这些方法未能将运营期病害初始状态、火灾全过程作用参数、病害与火灾的非线性耦合放大效应、抗火韧性指标和工程措施优化统一纳入同一设计流程。在实际工程中，按照现有方法制定的防火方案无法真实反映既有隧道的实际抗火能力，也难以针对性地指导运营期加固措施的选择，导致隧道即使满足现有设计防火标准，仍可能因未考虑的初始病害损伤而出现超出预期的结构功能失效风险。

3、另外，传统工程措施的选择主要依赖人员经验，而可供选择的措施中既包含防火层厚度等连续变量，也包含接缝密封深度、裂缝修复范围等离散等级变量以及材料类型等类别变量，变量类型混杂且各措施对病害的改善存在复杂的交互影响。在缺少系统化优化框架的情况下，同时考虑抗火韧性提升效果、工程费用、施工工期和运营影响等多重约束进行方案比选变得极为困难，容易顾此失彼，难以获得兼顾安全性与经济性的最优方案。因此，如何提供一种能够将服役病害状态、火灾强度、耦合损伤、抗火韧性评价和工程措施优化统一起来的设计方法，成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种考虑服役劣化-火灾全过程耦合作用的盾构隧道抗火韧性提升设计方法及系统，以解决上述现有技术存在的问题。

2、第一方面，为实现上述目的，本发明提供了一种考虑服役劣化-火灾全过程耦合作用的盾构隧道抗火韧性提升设计方法，包括以下步骤：

3、依据服役病害参数生成服役状态向量，依据火灾作用参数生成火灾强度向量；

4、构建服役病害与火灾作用之间的耦合影响矩阵，并利用所述耦合影响矩阵、服役状态向量和火灾强度向量确定抗火性能保持系数；

5、基于所述抗火性能保持系数修正结构功能保持系数，获得抗火韧性指标；

6、建立工程措施库并确定措施作用矩阵，将工程措施编码为措施组合向量，通过所述措施组合向量及措施作用矩阵确定病害改善量，得到采取措施后的服役状态向量；

7、利用采取措施后的服役状态向量重新确定抗火韧性指标，并采用基于代理模型的混合变量多目标优化算法，在抗火韧性阈值、工程费用和施工时间约束下搜索并输出设计方案。

8、可选的，生成所述服役状态向量的过程包括：

9、确定裂缝劣化指标、渗漏水指标、接缝张开指标、螺栓退化指标、防火层老化指标和材料劣化指标，其中裂缝劣化指标基于裂缝宽度与深度评定，渗漏水指标基于渗漏状态分级评定；

10、对连续型病害参数，通过检测值与预设上下限的线性变换进行归一化；

11、对等级型病害参数，按照无病害、轻微、一般、较重、严重五个等级分别映射为0、0.25、0.50、0.75和1.00的量化值。

12、可选的，生成所述火灾强度向量的过程包括：

13、对升温曲线、最高温度、持续时间、受火范围、冷却方式和通风条件进行量化评分，获得对应的火灾作用指标值；

14、对各火灾作用指标值进行加权求和得出火灾强度指数，加权系数依据地铁设计防火标准、设计火灾曲线、运营重要性等级和风险接受水平确定；

15、以所述各火灾作用指标值作为元素构建所述火灾强度向量。

16、可选的，所述耦合影响矩阵由基础矩阵和动态修正项构成，所述基础矩阵的各元素根据病害-火灾耦合强度、病害重要性系数、火灾参数重要性系数和全局缩放系数确定，所述动态修正项通过最小化抗火韧性指标预测误差或结构损伤预测误差获得；所述抗火性能保持系数的确定过程包括：利用所述耦合影响矩阵与所述服役状态向量和所述火灾强度向量进行运算，得出线性耦合项和非线性耦合项，并由基准值扣除所述线性耦合项和非线性耦合项，得到所述抗火性能保持系数。

17、可选的，所述抗火韧性指标的获得过程包括：

18、确定火灾中结构功能保持系数，其依据结构变形与防火层完整性评定；确定火灾后剩余承载能力系数，其依据剩余轴力与弯矩承载能力评定；确定接缝防水功能保持系数；确定修复时间系数和修复成本系数；

19、将所述抗火性能保持系数与所述火灾中结构功能保持系数和所述火灾后剩余承载能力系数相乘，得到修正常数；

20、将所述修正常数与所述接缝防水功能保持系数、修复时间系数、修复成本系数以及面积型全过程韧性系数进行加权求和，生成所述抗火韧性指标，其中面积型全过程韧性系数由性能函数在灾前、灾中和灾后阶段的时间积分确定。

21、可选的，所述措施作用矩阵的构建过程包括：

22、建立工程措施库，所述工程措施库中编入防火层更新、接缝密封、螺栓保护、裂缝修复、渗漏治理和局部加固措施；

23、将选取的措施组合编码为混合变量向量，该向量的元素包括连续型、离散型和类别型变量；

24、构建措施作用改善比例矩阵，该矩阵中的元素表示特定工程措施对特定病害指标的改善幅度；

25、由所述混合变量向量与所述措施作用改善比例矩阵的运算得到病害改善量，从而获得所述采取措施后的服役状态向量；

26、所述混合变量多目标优化算法以所述混合变量向量为设计变量，采用代理模型预测抗火韧性指标、工程费用和施工时间，通过采集函数在所述抗火韧性阈值、工程费用上限和施工时间上限的约束下进行多目标寻优，输出所述设计方案。

27、第二方面，本发明还提供了一种考虑服役劣化-火灾全过程耦合作用的盾构隧道抗火韧性提升设计系统，用于实施一种考虑服役劣化-火灾全过程耦合作用的盾构隧道抗火韧性提升设计方法，所述系统包括：

28、服役状态与火灾强度量化模块，用于依据服役病害参数生成服役状态向量，并依据火灾作用参数生成火灾强度向量；

29、耦合损伤分析模块，用于构建服役病害与火灾作用之间的耦合影响矩阵，并利用所述耦合影响矩阵、所述服役状态向量和所述火灾强度向量确定抗火性能保持系数；

30、抗火韧性评估模块，用于基于所述抗火性能保持系数修正结构功能保持系数，获得抗火韧性指标；

31、措施作用映射模块，用于建立工程措施库并确定措施作用矩阵，将工程措施编码为措施组合向量，通过所述措施组合向量及所述措施作用矩阵确定病害改善量，得到采取措施后的服役状态向量；

32、优化输出模块，用于利用所述采取措施后的服役状态向量重新确定抗火韧性指标，并采用基于代理模型的混合变量多目标优化算法，在抗火韧性阈值、工程费用和施工时间约束下搜索并输出设计方案。

33、第三方面，本发明还提供了一种计算机终端设备，包括：

34、一个或多个处理器；

35、存储器，与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；

36、当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现上述第一方面中考虑服役劣化-火灾全过程耦合作用的盾构隧道抗火韧性提升设计方法的步骤。

37、第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述第一方面中考虑服役劣化-火灾全过程耦合作用的盾构隧道抗火韧性提升设计方法的步骤。

38、第五方面，本发明还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面中考虑服役劣化-火灾全过程耦合作用的盾构隧道抗火韧性提升设计方法的步骤。

39、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

40、本发明提供的一种考虑服役劣化-火灾全过程耦合作用的盾构隧道抗火韧性提升设计方法及系统，将运营期病害状态转化为服役状态向量，提高了火灾前抗火设计输入的定量化程度；通过耦合影响矩阵计算病害-火灾耦合放大损伤，能够反映裂缝、渗漏、接缝张开、防火层老化等病害对火灾损伤的放大作用；通过措施作用矩阵将工程措施与病害改善量对应起来，使防火层更新、接缝密封、螺栓保护、裂缝修复和渗漏治理等措施能够进入同一优化空间；在抗火韧性阈值、费用、工期和运营影响约束下输出候选加固方案，能够为运营期盾构隧道抗火韧性提升提供可执行的工程参数。