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技术

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。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术属于土木工程学科中输电塔结构的安全性评估
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。
[0006]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：
[0007]步骤一：建立初始有限元模型，确定地震
‑
强风输入荷载
[0008](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；
[0009](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。
[0010]步骤二：实测风荷载数据的收集与处理
[0011](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；
[0012](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，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；
[0013](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；
[0014](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；
[0015](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；
[0016](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，f
k
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θ
K
中第i个代表风速V
i
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
[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,本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘海洋，李超，田利，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：