【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及输电线路铁塔，特别涉及一种钢管塔杆件涡激振动状态下节点部位的疲劳寿命计算方法。
技术介绍
1、输电线路钢管塔是一种主要由钢管组成的用于支撑高压输电线路导线的塔型结构，与传统的混凝土塔或角钢塔相比，钢管塔重量较轻，能够降低对基础的要求，减轻运输和安装的工作量。近年来，随着特高压输电线路工程的发展，钢管塔凭借其风载系数小、结构灵活、轻量化的特点得到了越来越广泛的应用。钢管塔的杆件通常呈圆柱形，自然风作用于杆件表面时会使其振动，当风振频率与杆件固有频率一致时引发涡激共振。钢管杆件的涡激共振除了会导致连接松动外，还可能引起导地线高阶共振，断股断线。近年来，频繁出现的涡激振动问题，已经成为制约钢管塔应用的主要因素。
2、目前对于涡激振动作用下钢管塔的动力特性，国内外专家学者已经开展了部分研究，其中，大多都以钢管杆为主要研究对象，且研究内容聚焦在涡振抑制措施、杆件振动机理分析等方面，有关钢管塔疲劳寿命预测的研究较少。然而，对于钢管塔杆件两端用于连接相邻杆件的节点，除了承受恒载等不变荷载作用之外，由于自然风作用引发杆件涡激振动时，节点部位会处于荷载反复作用的环境中，因此钢管塔杆件两端节点部位的疲劳问题较为突出。此外，多起特高压钢管塔涡激振动案例也表明，相较于钢管塔杆件，杆件两端节点部位的几何形状、焊接制作工艺都更为复杂，当微风作用引发杆件涡激振动时，节点部位最可能产生疲劳裂纹，进而造成节点板开裂并引发重大事故。但目前由于缺乏钢管塔涡激振动理论和试验研究的支撑，国内规范对钢管塔节点部位疲劳问题的规定较为模糊，缺少相应钢
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是提供一种钢管塔杆件涡激振动状态下节点部位的疲劳寿命计算方法，对钢管塔杆件连接节点处的涡振疲劳寿命进行计算，有利于优化节点构造设计。
2、为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种钢管塔杆件涡激振动状态下节点部位的疲劳寿命计算方法，包括以下步骤：
3、步骤一、获取钢管塔所在地过去一年的历史风速气象资料，包含历史每小时的风速以及风向；
4、步骤二、计算钢管杆件的杆件起振风速vcr，确定杆件涡激振动的风速范围，并筛选出不同风速条件下杆件发生涡激振动的时间t；
5、步骤三、计算钢管杆件的自振频率fs，结合杆件发生涡激振动的时间t，得到杆件发生振动的次数ei；
6、步骤四、计算钢管塔节点的热点应力幅，结合节点热点应力幅s-n曲线，得到结构在对应热点应力幅条件下的疲劳加载次数ni；
7、步骤五、采用miner累积损伤准则计算杆件涡振时节点的累计损伤damage；
8、步骤六、当累计损伤damage超过1时，判定此时节点萌生疲劳裂纹，将裂纹萌生寿命作为节点疲劳寿命。
9、优选的方案中，所述步骤二中，杆件起振风速的计算公式如下：
10、
11、式中，vcr为杆件起振风速；λ为钢管杆件的长细比；λn为杆件自振频率参数。
12、优选的方案中，所述步骤二中，杆件涡激振动存在锁定现象，即在vcr～1.3vcr风速范围内，旋涡脱落的频率与杆件固有频率保持一致，杆件发生涡激振动，将当地的风速资料与杆件起振风速vcr对比，筛选出杆件涡激振动的时间t。
13、优选的方案中，所述步骤三中，杆件的自振频率fs的计算公式如下：
14、
15、式中，st为钢管塔杆件的斯脱罗哈数，v为钢管塔周围环境风速，d为钢管杆件的外径。
16、优选的方案中，所述步骤三中，杆件发生振动的次数ei的计算公式如下：
17、ei＝fst (3)。
18、优选的方案中，所述步骤四中，钢管塔节点的热点应力σn的计算公式如下：
19、σn＝(1005.75v2-2314vcrv+1237.29vcr2)cldldl·scf/w (4)
20、式中，d为钢管杆件的外径，l为钢管杆件的长度，cl为钢管杆件升力系数，scf为钢管塔节点的热点应力集中系数，w为抗弯截面系数，v为钢管塔周围环境风速，vcr为杆件起振风速，dl为钢管杆件端部与节点疲劳热点之间的距离。
21、优选的方案中，所述步骤五中，杆件涡振时节点的累计损伤damage的计算公式如下：
22、
23、式中，ni为结构在疲劳载荷第i级加载下的疲劳加载次数，ni为疲劳荷载循环作用的次数，k为疲劳载荷的级数，damage为累计损伤。
24、本专利技术提供的一种钢管塔杆件涡激振动状态下节点部位的疲劳寿命计算方法，具有以下有益效果：
25、1、钢管塔杆件连接节点处的结构形状使得该区域应力分布复杂，相比于其他部位，节点处最可能由于涡激振动产生疲劳裂纹，造成板件开裂并引发重大事故。但现有研究极少关注节点部位的疲劳性能，本专利技术提出的计算方法有助于优化结构，改进设计，减少疲劳问题引发的事故，为输电线路钢管塔设计工作提供参考，对钢管塔结构设计的经济性及安全性具有重要意义。
26、2、结合输电线路钢管塔杆件的结构特点，基于热点应力集中系数法，提出了钢管塔杆件涡振时节点部位的热点应力计算公式，简化了获取热点应力的计算步骤。能够更精确地控制仿真加载条件，极大地降低仿真模拟难度，并提高计算精度。
27、3、基于热点应力幅s-n曲线确定钢管塔节点的疲劳寿命，相对而言更加准确。当前的设计规范大多建议设计者参考名义应力幅s-n曲线计算结构的疲劳寿命，然而，名义应力无法准确反应钢管塔节点区域的应力集中现象。而热点应力幅s-n曲线考虑了材料的应力幅值范围和疲劳特性，更适合分析诸如钢管塔节点等复杂结构的疲劳性能。
28、4、综合考虑了钢管塔周围环境因素对杆件发生涡激振动时间的影响，以及杆件结构参数对杆件自振频率的影响，能够更准确地预测不同地点和不同环境下节点部位的疲劳寿命，更切实地分析不同钢管塔结构的疲劳性能，具有推广价值。
29、5、本专利技术除了应用于输电线路钢管塔设计工程之外，还可应用于钢管塔节点部位疲劳状态检测工作，有助于快速识别钢管塔杆件涡激振动引发的节点部位潜在的疲劳问题。
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1.一种钢管塔杆件涡激振动状态下节点部位的疲劳寿命计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种钢管塔杆件涡激振动状态下节点部位的疲劳寿命计算方法，其特征在于，所述步骤二中，杆件起振风速的计算公式如下：
3.根据权利要求1所述的一种钢管塔杆件涡激振动状态下节点部位的疲劳寿命计算方法，其特征在于，所述步骤二中，杆件涡激振动存在锁定现象，即在vcr～1.3vcr风速范围内，旋涡脱落的频率与杆件固有频率保持一致，杆件发生涡激振动，将当地的风速资料与杆件起振风速vcr对比，筛选出杆件涡激振动的时间t。
4.根据权利要求1所述的一种钢管塔杆件涡激振动状态下节点部位的疲劳寿命计算方法，其特征在于，所述步骤三中，杆件的自振频率fs的计算公式如下：
5.根据权利要求4所述的一种钢管塔杆件涡激振动状态下节点部位的疲劳寿命计算方法，其特征在于，所述步骤三中，杆件发生振动的次数ei的计算公式如下：
6.根据权利要求1所述的一种钢管塔杆件涡激振动状态下节点部位的疲劳寿命计算方法，其特征在于，所述步骤四中，钢管塔节点的热点应力
7.根据权利要求1所述的一种钢管塔杆件涡激振动状态下节点部位的疲劳寿命计算方法，其特征在于，所述步骤五中，杆件涡振时节点的累计损伤damage的计算公式如下：
...【技术特征摘要】
1.一种钢管塔杆件涡激振动状态下节点部位的疲劳寿命计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种钢管塔杆件涡激振动状态下节点部位的疲劳寿命计算方法，其特征在于，所述步骤二中，杆件起振风速的计算公式如下：
3.根据权利要求1所述的一种钢管塔杆件涡激振动状态下节点部位的疲劳寿命计算方法，其特征在于，所述步骤二中，杆件涡激振动存在锁定现象，即在vcr～1.3vcr风速范围内，旋涡脱落的频率与杆件固有频率保持一致，杆件发生涡激振动，将当地的风速资料与杆件起振风速vcr对比，筛选出杆件涡激振动的时间t。
4.根据权利要求1所述的一种钢管塔杆件...
【专利技术属性】
技术研发人员：姜岚，王清源，罗曼平，皮柯洋，黄荥，叶卿辰，陶文心，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：
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