排水管道改造中的結構彈性：從理論到實踐

1 引言
1.1 彈性研究綜述  001
1.1.1 受自然界啟發(fā)的彈性方法  001
1.1.2 系統(tǒng)和系統(tǒng)環(huán)境  002
1.1.3 變化和干擾的破壞性能量  002
1.1.4 彈性的本質(zhì)  003
1.1.5 彈性的量化  003
1.2 福島第一核電站核事故的教訓  004
1.2.1 福島第一核電站核事故  004
1.2.2 根本原因分析  005
1.2.3 經(jīng)驗教訓  006
1.3 東京排水管道改造過程中的結構彈性構建  008
1.3.1 排水管道老化及排水管道系統(tǒng)改造  008
1.3.2 老舊排水管道改造設計中的半復合管概念  008
1.3.3 通過排水管道改造構建彈性系統(tǒng)  010
1.4 本書的主要特點  011
參考文獻  011
2 彈性理論及其數(shù)學概論
2.1 社會生態(tài)系統(tǒng)中的彈性理論和實踐  013
2.1.1 彈性方法  013
2.1.2 原則1，保持多樣性和冗余性  016
2.1.3 原則2，管理連通性   017
2.1.4 原則3，管理慢變量和反饋  018
2.1.5 原則4，培養(yǎng)復雜自適應系統(tǒng)思維   020
2.1.6 原則5，鼓勵學習  022
2.1.7 原則6，拓寬參與度  023
2.1.8 原則7，推進多中心治理   024
2.1.9 總結  026
參考文獻  026
2.2 社會技術系統(tǒng)中的彈性理論與實踐   031
2.2.1 彈性方法   032
2.2.2 處理實際情況：響應  033
2.2.3 處理關鍵問題：監(jiān)測   034
2.2.4 處理潛在問題：預期   037
2.2.5 處理現(xiàn)實問題：學習   039
2.2.6 彈性的本質(zhì)是什么   040
參考文獻  040
2.3 計算機系統(tǒng)中的彈性理論與實踐  042
2.3.1 新出現(xiàn)的挑戰(zhàn)  042
2.3.2 彈性方法   044
2.3.3 輻射對電子設備的影響   045
2.3.4 故障處理中的冗余性  048
2.3.5 具有增強抗干擾能力的容錯系統(tǒng)   051
2.3.6 支持彈性的硬件和軟件系統(tǒng)  053
參考文獻  054
2.4 彈性理論的數(shù)學概括和非線性動力學行為的兩步解   056
2.4.1 彈性的數(shù)學定義  056
2.4.2 非線性動力學行為的廣義兩步解   058
參考文獻  063
3 彈性評估方法和圖論基礎
3.1 基于性能的彈性評估方法  065
3.1.1 基于性能的彈性指標和彈性三角形  065
3.1.2 彈性表示為系統(tǒng)性能恢復與損失的比率  067
3.1.3 彈性三角形和影響函數(shù)的重新定義  072
3.2 圖論的基本概念  076
3.2.1 圖的定義和基本性質(zhì)  076
3.2.2 矩陣表示  078
3.2.3 圖的類型  080
3.3 圖論的實際應用  083
3.3.1 尋找最短路徑  083
3.3.2 最優(yōu)圖的遍歷  085
3.3.3 最小生成樹  090
參考文獻  091
圖論中使用的符號  092
4 日本為增強社會基礎設施彈性所做的努力
4.1 日本基礎設施的發(fā)展歷史  093
4.1.1 戰(zhàn)后70年的基礎設施發(fā)展  093
4.1.2 排水管道建設和改造的歷史  095
4.2 日本基礎設施面臨的挑戰(zhàn)  099
4.2.1 惡劣的自然條件  099
4.2.2 老化的基礎設施  101
4.2.3 人口減少  102
4.2.4 經(jīng)濟衰退和國際競爭加劇  103
4.2.5 日益嚴格的財政限制  103
4.3 日本為增強基礎設施彈性采取的最新措施  105
4.3.1 《國土強韌化基本法》的原則  105
4.3.2 《國土強韌化基本法》的政策  106
4.3.3 東京采取的彈性增強措施  108
參考文獻  111
5 東京排水管道改造和彈性增強措施
5.1 東京排水管道系統(tǒng)概述  113
5.1.1 排水管道項目的起源  113
5.1.2 排水管道改造工程啟動  114
5.1.3 災后恢復和排水管道項目  114
5.1.4 東京及其排水管道系統(tǒng)的擴張  114
5.1.5 戰(zhàn)后恢復和排水管道項目的全面實施  115
5.1.6 城市問題和排水管道服務的新趨勢  116
5.1.7 排水管道管理中的石油危機和財務困難  118
5.1.8 實現(xiàn)100%覆蓋率目標的排水管道改造  118
5.1.9 排水管道項目實施的多方面舉措  119
5.2 維護和修復措施  124
5.2.1 排水管道改造  124
5.2.2 再生水中心和泵站的改造  128
5.3 內(nèi)澇防治措施  130
5.3.1 現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)  130
5.3.2 今后的任務  131
5.3.3 《管理計劃》中的主要工作  131
5.4 抗震措施  133
5.4.1 現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)  133
5.4.2 今后的任務  135
5.4.3 《管理計劃》中的主要工作  136
5.5 水環(huán)境改善  140
5.5.1 現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)  140
5.5.2 今后的任務  140
5.5.3 《管理計劃》中的主要工作  140
5.5.4 迄今為止取得的成效  141
5.6 減少環(huán)境負荷  142
5.6.1 污水深度處理  142
5.6.2 污泥處理  144
5.7 危機管理  148
5.7.1 建立或加強緊急恢復準備工作，以確保排水管道系統(tǒng)正常運行  148
5.7.2 與市政當局合作加強防災措施  148
5.7.3 加強風險溝通，以更好應對災害  149
5.8 以遠見卓識、科學管理、迅速行動來增強彈性  150
參考文獻  150
6 通過技術創(chuàng)新提高排水管道改造的結構彈性
6.1 排水管道老化問題及彈性增強措施概述   153
6.1.1 排水管道老化問題  153
6.1.2 排水管道彈性措施的概念   155
6.2 排水管道資產(chǎn)管理   156
6.2.1 資產(chǎn)管理辦法  156
6.2.2 與資產(chǎn)管理相關的登記系統(tǒng)概述  157
6.3 存量排水管道的健全性評估方法  159
6.3.1 技術開發(fā)背景  159
6.3.2 新開發(fā)的系統(tǒng)  160
6.4 存量排水管道的可用性評估  164
6.5 排水管道修復  165
6.5.1 排水管道修復的必要性  165
6.5.2 排水管道修復方法分類   167
6.5.3 修復方法類型  168
6.6 排水管道修復（SPR）方法的發(fā)展  173
6.6.1 什么是“SPR方法”  174
6.6.2 排水管道修復型材研發(fā)  177
6.6.3 排水管道修復方法的發(fā)展歷史   180
6.6.4 排水管道修復方法施工程序   182
6.6.5 老化排水管道的材料強度調(diào)查   187
6.6.6 排水管道修復所需的原有管道調(diào)查   189
6.7 通過技術創(chuàng)新提高排水管道系統(tǒng)的結構彈性   194
參考文獻  196
7 排水管道改造的結構分析理論與試驗研究
7.1 引言  197
7.2 規(guī)范要求解析  198
7.2.1 采用復合管法改造排水管道的指南綱要  198
7.2.2 復合結構構件的基本規(guī)范要求  200
7.3 排水管道修復的試驗研究  202
7.3.1 承載能力的斷裂試驗  203
7.3.2 結構元素測試  211
7.4 半復合管模型和基于斷裂力學的材料建模  221
7.4.1 無張力界面模型  221
7.4.2 材料建模  224
7.5 基于彌散裂紋法的修復后排水管道開裂的數(shù)值分析  226
7.5.1 案例選擇  226
7.5.2 矩形管的數(shù)值結果  228
7.5.3 圓形管的數(shù)值結果  231
7.5.4 小結  235
7.6 基于離散裂紋法的修復后檢查井的開裂行為的數(shù)值分析  235
7.6.1 案例設置  235
7.6.2 檢查井試樣的數(shù)值結果  239
7.6.3 小結  242
7.7 地下水壓力下底拱襯里的屈曲理論  243
7.7.1 地下水壓力下底拱襯里的屈曲  243
7.7.2 驗證研究  243
7.7.3 屈曲設計  246
7.8 建立具備強度冗余的結構彈性  247
附錄  248
附錄7.A 使用正割彈性模量進行應變軟化的局部彌散裂紋模型  248
附錄7.B 用于Ⅰ型開裂的EFCM公式  249
附錄7.C 底拱襯里的屈曲方程推導  253
參考文獻  256
8 基于性能的老舊排水管道改造設計
8.1 基于性能設計提高結構彈性  257
8.2 排水管道改造的性能要求  258
8.2.1 性能驗證的基本概念  258
8.2.2 排水管道改造修復的性能要求  259
8.3 正常載荷下的性能驗證  261
8.3.1 正常使用極限狀態(tài)驗證  261
8.3.2 承載能力極限狀態(tài)驗證  262
8.3.3 安全系數(shù)  262
8.3.4 設計載荷  263
8.3.5 非線性結構分析  263
8.3.6 載荷系數(shù)性能評估  266
8.4 地震載荷下的性能驗證  268
8.4.1 抗震性能要求驗證標準  268
8.4.2 正常使用極限狀態(tài)驗證  270
8.4.3 承載能力極限狀態(tài)驗證  270
8.4.4 安全系數(shù)  270
8.4.5 驗證所用的分析方法  271
8.4.6 基于非線性動力分析的抗震驗證  271
8.5 排水管道修復后抗震性能的試驗驗證  277
8.5.1 抗震驗證試驗  277
8.5.2 型材拉拔試驗  282
8.6 輔助設計軟件的開發(fā)  285
8.6.1 基本功能  285
8.6.2 運行任務  290
8.7 設計案例研究  291
8.7.1 結構分析的確定條件  291
8.7.2 正常和地震載荷條件下的安全驗證  298
8.7.3 底板局部屈曲的安全驗證  299
8.7.4 確定修復條件  301
參考文獻  302
9 排水管道系統(tǒng)的結構彈性
9.1 結構彈性理論  305
9.1.1 結構損傷能量  305
9.1.2 定義結構彈性  306
9.2 某排水管道震后應急恢復的結構彈性評價  309
9.2.1 排水管道系統(tǒng)應急修復的基本考慮因素  309
9.2.2 關鍵路徑法  312
9.2.3 排水管道應急修復期間結構彈性與影響指標評價  312
9.3 基于兩個經(jīng)典圖論問題的震后路網(wǎng)應急行動  324
9.4 兩個彈性定義之間的關系  329
9.5 關于結構彈性理論和復雜社會基礎設施系統(tǒng)的總結  330
9.5.1 彈性增強的四項原則  330
9.5.2 受變化和干擾影響的復雜社會基礎設施系統(tǒng)的安全性評價  331
9.5.3 結構彈性理論的含義  331
參考文獻  332
10 不同國家的排水管道修復改造工程
10.1 日本排水管道改造項目概述  333
10.1.1 日本管道建設現(xiàn)狀  333
10.1.2 管道設施的抗震加固  333
10.1.3 管道修復技術  334
10.1.4 SPR技術  336
10.2 老舊排水管道和非排水管道修復工程  336
10.2.1 小管徑管道修復  337
10.2.2 大管徑管道修復  337
10.2.3 非圓形管道修復  338
10.2.4 非排水管道修復  340
10.3 檢查井抗震加固實例  341
10.3.1 柔性結構法  341
10.3.2 超孔隙水壓力消散法  343
10.4 后評估調(diào)查  346
10.4.1 施工后的長期調(diào)查  346
10.4.2 震后調(diào)查  347
10.5 其他國家的排水管道修復項目  349
10.5.1 項目背景  349
10.5.2 SPR方法的廣泛應用  349
10.6 其他國家的排水管道修復案例研究  350
10.6.1 案例1：法國歐博訥  350
10.6.2 案例2：德國安斯巴赫  352
10.6.3 其他案例  354
附錄  355
附錄10.A 來自宮城縣東武污水處理辦公室的當?shù)卣畧蟾妫簴|日本大地震中經(jīng)抗震加固的排水管道的性能  355
參考文獻  360
致謝