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

技术特征：
1.一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，其特征在于，步骤如下：步骤一：建立初始有限元模型，确定地震-强风输入荷载(1)根据实际工程图纸，建立输电塔结构有限元分析模型，计算输电塔结构的模态信息；(2)根据输电塔结构所在的场地信息和抗震设防水准，选取10-20条天然地震波；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输电塔结构高度方向相干的风荷载；步骤二：实测风荷载数据的收集与处理(3)根据输电塔结构所处地理位置，收集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；(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θ
k
，θ
k
＝(k-1)
×
22.5
°
且θ
k
沿顺时针逐渐增大，不同的θ
k
值代表不同的风向；θ1＝0
°
表示正北风向，θ5＝90
°
表示正东风向，θ9＝180
°
表示正南风向，θ
13
＝270
°
表示正西风向，θ
15
＝315
°
表示西北风向；(5)计算每个风向在统计年限间发生的概率p(θ
k
)，p(θ
k
)＝n
k
/n，其中n表示统计年限间采集的风荷载数据总个数，n
k
表示第k个风向中风荷载数据的个数；(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，并根据决定系数和均方根差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；(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；(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：式中，f
k
为第k个风向下风荷载的概率密度函数；(9)计算在统计年限间第k个风向θ
k
中第i个代表风速v
i
发生的概率：步骤三：风致疲劳损伤的计算(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z
r
，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下各模拟点的平均风速式中，η为地表粗糙度指数，取值参考《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：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间的互功率谱表示为：式中，coh(a，b；f)为空间相干损失函数，采用如下经验模型进行计算：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：式中，表示输电塔结构第r段在θ
k
方向上的迎风面积，c
d
为空气阻力系数，ρ为空气密度；(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；(12)构件的应力响应时程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v
i
，风向为θ
k
，时长为t的风荷载造成的疲劳累积损伤为：任意时间内风荷载造成的疲劳累积损伤为：(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：步骤四：建立结构时变有限元模型(14)考虑疲劳累积损伤，退化后的杆件材料性能时变模型表示为：
x(l)＝x
×
f[d(l)]式中，x表示初始的材料性能，f为退化函数；(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；步骤五：结构抗多灾性能评估(16)进行结构pushover分析得到pushover曲线，定义结构的损伤状态；(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“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；(18)采用下式计算结构的多灾易损性曲面：ln(s
d
)＝k1 k2ln im1 k3ln im2式中，s
d
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，d
j
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β
c
分别表示结构需求和能力的对数标准差；(19)将计算得到的结构响应带入上述公式，即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，从而进行输电塔结构全寿命抗多灾性能评估；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。

技术总结
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，建立输电塔结构模型，选取和模拟适用于结构的地震波和相干风荷载时程；收集结构的实测风速风向数据，计算不同风速风向发生的概率及年持续时间；根据实测数据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，得到结构应力响应时程；统计风荷载作用下结构杆件的应力循环，计算单位时间内结构杆件的疲劳累积损伤；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；对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。段的抗多灾性能的影响。段的抗多灾性能的影响。


技术研发人员：潘海洋 李超 田利
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2021.12.20
技术公布日：2022/3/22