一种考虑风致疲劳效应的输电塔结构全寿命抗多灾性能评估方法与流程

1.本发明属于土木工程学科中输电塔结构的安全性评估技术领域，具体涉及一种基于实测数据考虑风致疲劳效应的输电塔结构全寿命抗多灾性能评估方法。


背景技术：

2.输电塔结构是一个国家重要的基础设施，承担着电力输送分配的任务，极大地促进了国民经济的发展。我国是一个地震和风等自然灾害频发的国家，因此，输电塔结构在其全寿命周期内会不可避免地遭受地震和强风等多种灾害的侵袭，甚至会在地震和强风的耦合作用下发生毁灭性的破坏。输电塔结构的破坏不仅会影响结构的正常使用从而造成重大的经济损失，而且还会严重地影响灾后救援工作并造成不良的社会影响。
3.在输电塔结构漫长的使用周期内，长期风荷载容易使其产生疲劳累积损伤，这会使得杆件材料性能出现劣化进而导致结构整体性能发生退化，降低了结构的抗灾能力，使其存在严重的安全隐患。此外，随着灾害强度和风致疲劳时间的增大，风致疲劳对结构产生的影响也会变得更加显著。因此，在结构全寿命性能评估中考虑风致疲劳影响具有重大的社会意义和实际工程意义。
4.截至目前，国内外已有很多学者对于输电塔结构的性能评估进行了研究，然而有关于其考虑风致疲劳效应的相关研究却相对较少。此外，在现有的结构风致疲劳研究中，风荷载缺乏实测数据的支持，且在结构响应的数值计算时，不论是将风荷载以节点力的形式施加在结构上，还是利用cfd模拟流场时，都很少考虑风向的影响。因此，基于实测风速风向数据分析结果，利用s-n曲线法、雨流计数法以及palmgren-mine线性准则来计算结构的疲劳损伤，对结构在不同寿命阶段的抗多灾性能进行评估，从而提出一种基于实测数据考虑风致疲劳效应的输电塔结构全寿命抗多灾性能评估方法，对确保其安全性和功能性至关重要。


技术实现要素：

5.本发明旨在利用实测风速风向数据分析结果，通过s-n曲线法、雨流计数法以及palmgren-mine线性准则来计算结构的疲劳损伤，提出一种基于实测数据考虑风致疲劳效应的输电塔结构全寿命抗多灾性能评估方法。其技术方案是：首先，建立输电塔结构的有限元分析模型，选取和模拟适用于目标结构的地震波和相干风荷载时程；其次，收集结构所在地区若干年的实测风速风向数据，根据gumbel，frechet及weibull等概率分布模型计算不同风速风向发生的概率及年持续时间，随后，根据实测数据分析结果模拟生成不同风速风向的风荷载时程，对输电塔结构进行加载，得到相应的结构应力响应时程；接着，采用雨流计数法对风荷载作用下结构杆件的应力循环进行统计，并基于s-n曲线和palmgren-mine线性准则计算单位时间内结构杆件的疲劳累积损伤；然后，根据结构杆件的疲劳累积损伤和材料疲劳性能时变模型，对不同寿命周期的结构杆件材料参数进行更新，建立考虑风致疲
劳性能退化的不同寿命阶段的时变有限元模型；最后，对不同寿命阶段的时变有限元模型进行全寿命周期内的抗多灾性能评估，并验证风致疲劳效应对结构不同寿命阶段的抗多灾性能的影响。
6.一种考虑风致疲劳效应的输电塔结构全寿命抗多灾性能评估方法，步骤如下：
7.步骤一：建立初始有限元模型，确定地震-强风输入荷载
8.(1)根据实际工程图纸，建立输电塔结构有限元分析模型，计算结构的模态信息；
9.(2)根据输电塔结构所在的场地信息和抗震设防水准，选取一定数量的天然地震波(一般为10-20条)；根据输电塔结构所在地区的风压数据及场地要求，采用谐波叠加法模拟沿结构高度方向相干的风荷载。
10.步骤二：实测风荷载数据的收集与处理
11.(3)根据输电塔结构所处地理位置，从中国气象局(cma，http://data,cma.cn/)收集若干年来该地区的实测风荷载记录数据，包括最大风速和对应的风向；
12.(4)将连续的风向数据离散化，0
°
到360
°
之间平均分成16个风向角θk，θk＝(k-1)
×
22.5
°
且θk沿顺时针逐渐增大，不同的θk值代表不同的风向，例如，θ1＝0
°
表示正北(n)风向，θ5＝90
°
表示正东(e)风向，θ9＝180
°
表示正南(s)风向，θ
13
＝270
°
表示正西(w)风向，θ
15
＝315
°
表示西北(wn)风向；
13.(5)计算每个风向在统计年限间发生的概率p(θk)，p(θk)＝nk/n,其中n表示统计年限间采集的风荷载数据总个数，nk表示第k个风向中风荷载数据的个数；
14.(6)分别采用gumbel，frechet及weibull概率分布模型对每个风向中最大风速的频率分布进行拟合，并根据决定系数(r2)和均方根差(rmse)来定量比较各个概率分布模型的拟合效果，从中选取最优化的概率分布模型；
15.(7)将每个风向中连续的风速数据离散化，整个风速范围划分为m个等间距风速区间，选取每个区间的中值作为代表风速中间相邻的代表风速取值间隔为v
max
/m,其中v
max
表示整个风速范围内的最大风速值；
16.(8)根据划分的风速区间和拟合的风速概率分布，计算每个代表风速在对应风向下发生的概率其表达式如下：
[0017][0018]
式中，fk为第k个风向下风荷载的概率密度函数。
[0019]
(9)计算在统计年限间第k个风向θk中第i个代表风速vi发生的概率
[0020][0021]
步骤三：风致疲劳损伤的计算
[0022]
(10)模拟不同的代表风速对应的风荷载时程。将输电塔结构沿竖直方向划分为r段并统计每一段的中心点距离地面的高度zr,各段的中心点即为风荷载的模拟点。计算不同风向中各代表风速下各模拟点的平均风速
[0023]
[0024]
式中，η为地表粗糙度指数，具体取值可参考《建筑结构荷载规范》；。各模拟点的速脉动风速采用谐波叠加法来模拟，并且采用kaimal谱表示脉动风速的功率普密度函数，其表达式如下：
[0025][0026]
式中，f为频率，c为monin坐标，v
*
为摩擦速度，k为von karman常数。空间内两点a和b间的互功率谱可表示为：
[0027][0028]
式中，coh(a,b；f)为空间相干损失函数，可采用如下经验模型进行计算：
[0029][0030]
式中，|a-b|表示空间中点a和b间的距离，表示a和b两点处平均风速的均值，d为衰减系数，v
app
为视波速。当a《b时，空间相干函数取其共轭复数。计算结构不同高度处的风荷载如下：
[0031][0032]
式中，表示结构第r段在θk方向上的迎风面积，cd为空气阻力系数，ρ为空气密度；
[0033]
(11)将模拟的风荷载时程按对应的风向施加于输电塔结构的有限元模型进行动力时程分析，提取结构所有结构构件的应力响应时程；
[0034]
(12)构件的应力响应时程可分解为由平均风引起的平均应力和由脉动风引起的脉动应力其中脉动风引起的应力循环是产生疲劳损伤的根源。采用雨流计数法统计脉动应力时程分布中平均应力为应力幅值为δk的应力循环次数根据s-n曲线得到应力均值为应力幅值为δk的应力循环造成疲劳破坏的总次数平均风速为vi，风向为θk，时长为t的风荷载造成的疲劳累积损伤为：
[0035][0036]
任意时间内风荷载造成的疲劳累积损伤为：
[0037][0038]
(13)考虑所有的风速风向分布，任意时间内结构的真实疲劳损伤可以按下式计
算：
[0039][0040]
步骤四：建立结构时变有限元模型
[0041]
(14)在使用周期内，结构性能受疲劳影响的原因通常为杆件材料性能受疲劳影响而不断退化。考虑疲劳累积损伤，退化后的杆件材料性能时变模型可表示为：
[0042]
x(l)＝x
×
f[d(l)]
[0043]
式中，x表示初始的材料性能，如钢材的弹性模量，屈服强度等，f为退化函数。
[0044]
(15)通过将有限元模型中初始的材料性能替换为材料性能时变模型，建立考虑风致疲劳效应的不同寿命阶段的结构时变有限元模型。
[0045]
步骤五：结构抗多灾性能评估
[0046]
(16)进行结构pushover分析得到pushover曲线，定义结构的损伤状态；
[0047]
(17)将步骤一中选取的地震动和模拟的风荷载通过monte carlo方法随机匹配形成n组(通常大于100)“地震-风”荷载对，采用生成的荷载对分别对不同的时变有限元模型进行动力时程分析，得到对应的结构响应；
[0048]
(18)采用下式计算结构的多灾易损性曲面：
[0049][0050]
ln(sd)＝k1 k2ln im1 k3ln im2[0051][0052]
式中，sd为结构需求中位置，d为结构破坏状态的阈值，im1和im2分别表示地震动和风荷载强度，dj为第j个“地震-风”荷载对作用下结构的需求值，k1，k2和k3为回归参数；和βc分别表示结构需求和能力的对数标准差。
[0053]
(19)将计算得到的结构响应带入上述公式，即可得到考虑风致疲劳效应的不同寿命阶段的结构的易损性曲面，从而可以进行输电塔结构全寿命抗多灾性能评估。
[0054]
依据以上整个流程，即可得出基于实测数据考虑风致疲劳效应的输电塔结构全寿命抗多灾性能评估方法。
[0055]
本发明的有益效果：克服以往的输电塔结构抗灾性能评估过程中忽略风致疲劳效应影响的缺点，通过采集结构所在地区的实测风速风向数据，提出相应的计算风致疲劳累积损伤的计算方法；基于有限元分析计算实现风致疲劳效应对结构性能的影响；提出一种结构全寿命多灾害易损性曲面方法，能够对结构在多种灾害耦合作用下的性能进行评估，这些为实现考虑风致疲劳效应的输电塔结构全寿命抗多灾性能评估提供了技术方案。
附图说明
[0056]
图1是本发明所提出方法的基本流程；
[0057]
图2(a)是本发明实施例所述输电塔结构的模型主视图，图2(b)是本发明实施例所述输电塔结构的模型侧视图，图2(c)是本发明实施例所述输电塔结构的有限元示意图；
[0058]
图3(a)和图3(b)分别是实测的青岛市50年来每日最大风速和各个风向发生的概率；
[0059]
图4是基于实测数据计算得到的实施例所述输电塔杆件的年平均疲劳损伤值；
[0060]
图5是用于定义实施例所述输电塔不同损伤状态的pushover曲线；
[0061]
图6(a),图6(b),图6(c),图6(d),图6(e)和图6(f)分别是实施例所述输电塔在不同寿命阶段对应于轻微损伤状态的易损性曲面；
[0062]
图7(a),图7(b),图7(c),图7(d),图7(e)和图7(f)分别是实施例所述输电塔在不同寿命阶段对应于中度损伤状态的易损性曲面；
[0063]
图8(a),图8(b),图8(c),图8(d),图8(e)和图8(f)分别是实施例所述输电塔在不同寿命阶段对应于完全倒塌状态的易损性曲面。
具体实施方式
[0064]
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式，选取青岛市某一输电塔结构(如图2(a)和图2(b)所示)为本发明的输电塔结构实施例，该输电塔为格构式钢管结构，总高87.3m，呼高45m；由q345和q420钢管制成。本发明的基本思路如图1所示，针对本实施例开展基于实测数据考虑风致疲劳效应的输电塔结构全寿命抗多灾性能评估方法，具体实施方式如下：
[0065]
(1)建立包含实施例结构的有限元模型，计算模态信息。根据输电塔所在地区抗震设防烈度和场地类别，选取20条天然地震动；该地区抗震设防烈度为8度，结构的设计地震动峰值加速度为0.2g。根据实施例输电塔所在场地的风压数据及场地要求，模拟出50年重现期的沿高度方向相干的风荷载，其平均风速为30.89m/s。
[0066]
(2)收集青岛市50年来的风荷载数据(如图3(a)所示)，并计算每个风向在统计年限间发生的概率p(θk)，p(θk)＝nk/n(如图3(b)所示)。对每个风向中最大风速的频率分布进行拟合，得到相应的风荷载概率密度函数fk。风速的最大值为32m/s，因此，将整个风速范围划分为8个等间距风速区间，并得到8个代表风速根据每个风向发生的概率以及相应的风荷载概率密度函数，计算得到第k个风向θk中第i个代表风速vi的发生概率：
[0067][0068]
并计算在统计年限间第k个风向θk中第i个代表风速vi发生的概率：
[0069][0070]
(3)将输电塔沿高度方向划分为8段并统计每一段的中心点距离地面的高度zr。计算不同风向中各代表风速下各模拟点的平均风速
[0071][0072]
并且采用kaimal谱表示脉动风速的功率普密度函数，其表达式如下：
[0073][0074]
空间内两点a和b间的互功率谱可表示为：
[0075][0076]
其中的空间相干损失函数coh(a,b；f)可表示为：
[0077][0078]
计算结构不同高度处的风荷载如下：
[0079][0080]
(4)将模拟的风荷载时程施加于输电塔的有限元模型上进行动力时程分析，提取结构所有结构构件的应力响应时程。基于雨流计数法和s-n曲线，计算平均风速为vi，风向为θk，时长为t的风荷载造成的疲劳累积损伤：
[0081][0082]
任意时间内风荷载造成的疲劳累积损伤为：
[0083][0084]
考虑所有的风速风向分布，计算输电塔任意时间内的平均疲劳损伤：
[0085][0086]
取t＝1年，可得到输电塔杆件的年平均疲劳损伤值(如图(4)所示)。
[0087]
(5)考虑疲劳累积损伤，采用线性退化模型计算杆件时变材料性能：
[0088]fy
(t)(or fu(t))＝fy(or fu)
·
[1-d(t)]
[0089]es
(t)＝es·
[1-ζd(t)]
[0090]
其中fy(t),fu(t)and es(t)分别是时变的屈服强度、极限强度和弹性模量。通过将有限元模型中初始的材料性能替换为材料性能时变模型，建立考虑风致疲劳效应的不同寿命阶段的结构时变有限元模型。
[0091]
(6)对输电塔进行pushover分析得到pushover曲线(如图(5)所示)。定义输电塔的三个损伤状态：轻微损伤、中度损伤和完全倒塌。结合pushover曲线，定义屈曲点对应的需求值作为完全倒塌状态的阈值，并选取完全倒塌状态阈值的50％和75％作为轻微损伤和中
度损伤状态的阈值。
[0092]
(7)将步骤一中选取的地震动和模拟的风荷载通过monte carlo方法随机匹配形成120组“地震-风”荷载对，采用生成的荷载对分别对不同的时变有限元模型进行动力时程分析，得到对应的结构响应。分别选取地震动峰值加速度pga和地面以上10m高程处的平均风速作为地震和风荷载的强度指标，并对计算得到的结构响应在对数空间内进行拟合得到多灾需求模型：
[0093]
ln(sd)＝k1 k2ln im1 k3ln im2[0094]
根据得到的多灾需求模型，计算输电塔在不同寿命阶段的多灾易损性曲面：
[0095][0096]
图6(a)-(f)，图7(a)-(f)和图8(a)-(f)分别给出了输电塔在不同寿命阶段对应于轻微损伤、中度损伤和完全倒塌状态的多灾易损性曲面。在0.2g的设计地震动和30.98m/s的50年重现期风荷载共同作用下，输电塔在0年和50超越轻微损伤的概率分别是32.59％和77.16％；超越中度损伤的概率分别是7.93％和47.71％；超越完全倒塌的概率分别是1.73％和25.95％。随着服役时间的增加，输电塔在给定的“地震动-风”荷载强度下超越同一损伤状态的概率不断增加；疲劳损伤的累积在不断地降低输电塔的性能。
[0097]
由对比分析可以看得出，根据本发明所提出的方法可以根据实测风数据计算输电塔结构在不同服役时间的疲劳损伤，也可以评估输电塔结构在不同寿命阶段的抗多灾性能。本发明可为输电塔结构的安全设计提供重要的技术手段。