《Applied Sciences》：ML-Based Fragility and Functional Integrity Analysis of Corroded Buried Pipelines’ Seismic Response to Combined Shaking and Fault Displacement
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具有腐蚀缺陷的埋地管道在反向断层中表现出地震动与断层位移联合作用下的复杂地震响应。传统的有限元分析在全面解决此类问题时计算效率低下。本文提出了一种基于反向传播神经网络（BPNN）的地震响应预测与易损性评估方法。首先采用三维有限元模型分析腐蚀深度与壁厚比、径厚比
具有腐蚀缺陷的埋地管道在反向断层中表现出地震动与断层位移联合作用下的复杂地震响应。传统的有限元分析在全面解决此类问题时计算效率低下。本文提出了一种基于反向传播神经网络（BPNN）的地震响应预测与易损性评估方法。首先采用三维有限元模型分析腐蚀深度与壁厚比、径厚比、内压和埋深对管道轴向压缩应变的影响。进而，以这些参数以及断层位移作为输入、峰值压缩应变作为输出，构建了BPNN模型。该BPNN模型表现出优异的预测性能，最大预测误差低于15%。随后采用增量动力分析法（IDA）建立管道的强度与损伤指标映射，从而定量评估其在不同条件下的失效概率和功能完整性。研究发现，较高的径厚比（D/t）对应管道达到不利性能水平的更高可能性，同时功能完整性降低。具体而言，当D/t从72增加到144时，管壁损伤概率和传输功能丧失风险显著上升，突显了薄壁管道在断层运动下的显著易损性。此外，腐蚀缺陷加剧了管道易损性：腐蚀深度为壁厚10%时，应变响应大幅放大，中等损伤概率约为80%，而腐蚀深度为40%时，严重损伤概率超过60%。
**研究背景与问题**
埋地管道是石油、天然气、水等关键资源运输的重要生命线基础设施。由于管网通常延伸距离长，不可避免地穿越活动断层、地震带和复杂地质环境。历史地震（如1994年北岭地震、1999年科贾埃利地震、1999年集集地震）表明，在强地震动和永久地面变形下，埋地管道可能发生拉伸断裂、局部屈曲、接头失效或泄漏。特别是逆冲断层和逆断层常出现在挤压构造环境（如褶皱冲断带和山前断裂带），代表性地震（如1971年圣费尔南多地震和1999年集集地震）显示，逆断层或冲断层破裂能产生显著地表位移和永久地面变形，对穿越活动断层的埋地管道施加严重的变形需求。中国也位于活动断层广泛分布、强震活动频繁的区域，例如西气东输一线穿越五个地震带和八个活动断层，二线跨越十四个活动断层，三线经过五个地震带和三十多个断裂带。此前地震中，多条埋地管道在地震动与断层位移耦合效应引起的大应变下发生拉伸断裂或屈曲破坏，导致重大经济损失和次生灾害。由于管道在耦合地震效应下的响应具有强非线性和多参数影响，地震易损性分析已被广泛用于量化地震灾害下的管道损伤概率，而机器学习技术近年来作为快速响应预测和易损性评估的高效计算工具而兴起。
**研究目的与意义**
现有研究主要关注单一灾害效应或特定管道条件，对在役腐蚀管道在地震动-断层位移耦合下的响应和失效风险尚未充分阐明，尤其从应变需求、易损性和功能完整性角度。本研究进一步扩展了团队先前关于穿越活动断层的埋地管道工作，前期工作主要涉及不同断层类型下管道的响应与失效模式、腐蚀钢管在逆断层运动下的行为（含或不含CFRP加固）、以及腐蚀埋地管道在地震动-断层位移耦合下的确定性响应预测，但未系统评估概率失效风险和功能完整性。因此，本研究开发了一个集成三维有限元模拟、基于BPNN的快速响应预测、概率地震需求建模和功能完整性评估的易损性分析框架，可高效评估腐蚀埋地管道穿越逆断层时的地震响应、失效概率和震后功能性能，为管道系统抗震设计和快速风险评估提供支持。该论文发表在《Applied Sciences》。
**主要关键技术与方法**
研究人员采用以下关键技术方法：
1. 三维有限元建模：建立10 m × 8 m × 60 m的土-管道模型，土体采用C3D8R实体单元（Mohr-Coulomb本构），管道采用S4R壳单元（Ramberg-Osgood本构），断层交叉角90°、倾角60°。断层运动输入通过空间非均匀地震动施加，上盘包含永久位移分量，下盘不含，位移幅值1.2 m。
2. 腐蚀缺陷模拟：采用均匀壁厚减薄模拟内部腐蚀，腐蚀区域为0.24 m方形，周向覆盖25%，位置位于下盘应力集中区。腐蚀深度比d/t取0、0.1、0.2、0.3、0.4。
3. BPNN预测模型：以断层位移、d/t、D/t、内压P、埋深h为输入，峰值轴向压缩应变为输出，单隐层（8个神经元），Tansig激活函数，Levenberg-Marquardt优化，70%训练、15%验证、15%测试。
4. 增量动力分析（IDA）与易损性分析：以永久地面位移（PGD）为强度指标（IM），峰值轴向压缩应变为损伤指标（DM），定义四个性能极限状态，进行对数线性回归，建立累积正态易损性曲线，评估径厚比和腐蚀深度对失效概率的影响。
5. 功能完整性评估：将损伤状态映射为功能极限状态，定义五个功能等级，基于失效超越概率构建功能完整性矩阵。
**研究结果**
*3. 参数分析*
通过有限元参数分析，研究了腐蚀深度比、径厚比、内压和埋深的影响。
- **腐蚀深度比的影响**：随d/t增大，腐蚀部位局部鼓胀变形更明显，下盘峰值压缩应变增大，加速局部屈曲；上盘峰值压缩应变受d/t影响可忽略。
- **径厚比的影响**：D/t增大加剧S形变形，屈曲褶皱逐渐出现；下盘峰值压缩应变发展更快，先达到允许压缩应变；D/t=144时上盘也出现轻微屈曲。
- **内压的影响**：内压增大使应力更集中于下盘屈曲位置；无压管道呈向内凹陷屈曲，有压管道呈向外鼓胀；内压增加使屈曲对应的断层位移减小最多50%。
- **埋深的影响**：埋深增大使管道变形加剧，应力集中区向断层靠近；下盘峰值压缩应变发展更快，屈曲失效提前；埋深增加使屈曲对应断层位移减小最多53%。
*4. 预测方法*
基于244个训练样本，BPNN模型在验证集上R2=0.97，RMSE=0.0069，最大误差13.60%；测试集R2=0.96，RMSE=0.0083，最大误差12.84%，均低于15%。模型无过拟合，单次预测时间<0.01 s，相较于有限元分析（1-3 h）大幅提升效率。
*5. 易损性分析*
- **径厚比的影响**：D/t=58、72时，超越LS2（性能水平III）概率约30%，LS3（水平IV）接近0；D/t=96时，超越LS3概率25.08%，LS4概率2.49%；D/t=144时，超越LS2概率100%，LS3概率87.14%，LS4概率42.65%。
- **腐蚀深度的影响**：d/t=0.1时，超越LS3概率79.85%，LS4概率24.14%；d/t=0.4时，超越LS3概率接近100%，LS4概率65.43%。
- **功能完整性评估**：D/t<72时功能完整性保持50%以上；D/t=96时，F-III（中等泄漏，功能完整性50%）概率38.01%，F-IV（大量泄漏，功能完整性25%）概率22.59%；D/t=144时F-IV和F-V（完全泄漏，功能完整性0%）概率均超40%。腐蚀深度d/t=0.1时F-IV概率超50%，F-V概率接近25%；d/t=0.4时F-V概率升至65%，表明严重腐蚀管道很可能丧失传输功能。
**讨论与结论**
讨论部分指出，腐蚀缺陷显著加剧管道地震响应，20%腐蚀深度使屈曲对应断层位移降至完整管道的30%；较小D/t增加弯曲刚度，屈曲临界位移可提高50%；内压与屈曲模式相关，无压管道截面椭圆度比有压管道高约45%；埋深增加使屈曲位移降低53%。在研究所涉参数范围内，D/t<100、浅埋深、运行内压高于50%Pmax的管道表现出更好的抗局部屈曲能力，但需结合实际工程因素。
翻译研究结论：
(1) 在逆断层地震及地震-断层耦合作用下，带腐蚀缺陷的管道地震响应更显著。与完整管道相比，20%腐蚀深度将管道屈曲失效对应的断层位移减小至完整管道的约30%，显著削弱抗震性能并提前屈曲失效。
(2) 较小的径厚比（D/t）增加管道弯曲刚度，减小逆断层地震及地震-断层耦合下的S形变形，屈曲失效对应的临界断层位移可增加最多50%。管道内压与局部屈曲模式密切相关：无压管道在应力集中处呈向内凹陷屈曲，截面椭圆度比有压管道高约45%；有压管道应力集中区域更小，呈向外均匀鼓胀，缓解了过大截面变形。随着内压增大，屈曲失效对应的断层位移最多降低50%。增加埋深改变周围应力状态，增大土压力和管-土摩擦，加剧管道地震响应，屈曲失效对应的断层位移最多降低53%。在本研究所涉参数范围内，D/t<100、浅埋深、运行内压高于50%Pmax的管道在地震-断层耦合下表现出更好的抗局部屈曲能力。然而，该发现应视为初步工程启示而非通用设计准则。实际应用中还需考虑经济因素、规范要求、土体条件、管材、腐蚀形态和项目特定约束。
(3) 训练后的BPNN模型表现出优异的预测性能。验证集决定系数R2=0.97，均方根误差（RMSE）=0.0069，最大预测误差13.60%（<15%）。未参与训练的测试集R2=0.96，RMSE=0.0083，最大误差12.84%（<15%）。结果表明，训练后的BP神经网络模型对穿越逆断层在役管道的地震响应具有高预测精度和强泛化能力。
(4) 增大径厚比（D/t）提高了管道达到所有性能和功能极限状态的概率。与完整管道相比，内部腐蚀缺陷显著增加了达到各性能和功能极限状态的概率。严重内部腐蚀的管道在断层运动下传输功能保持率极低。内部腐蚀缺陷大幅增加失效概率并降低功能完整性，强调工程实践中需及时采取腐蚀预防、加固或其他保护措施。
