强风作用下输电线塔结构塑性疲劳破坏机理研究

论文摘要

高耸输电塔结构作为大型生命线工程的重要组成部分,风力是其主要的设计荷载。近年来输电线塔在强风作用下的倒塔破坏事件层出不穷,这不仅严重地影响着人们的生产建设,而且还会导致其它严重的次生灾害。因此,研究输电线塔结构在强风荷载作用下的倒塔破坏机理,确保风力作用下输电线路的正常工作,以及实时把握输电线塔结构的工作状态具有重要的工程意义。本文以汉江大跨越输电塔结构为研究背景,系统地研究了作用在输电线塔上的下击暴流强风荷载模型、输电线塔的非线性风振响应分析方法、输电塔杆件的塑性疲劳破坏模型、输电塔结构在强风荷载作用下的倒塔破坏过程以及长期风荷载作用下输电塔杆件的裂纹萌生疲劳寿命。本文研究了输电塔线耦联体系有限元模型的建立方法,并提出用带初应力空间四节点索单元来模拟输电线。分析了塔线耦合体系的动力特性,研究了输电线对输电塔结构动力特性的影响。编写了输电塔线体系有限元模型的建立、静力分析、动力分析的一系列程序,解决了应用一些有限元软件计算繁琐、收敛速度慢、不能考虑自定义索单元等缺陷,成功实现了快速、准确地计算输电塔线耦合体系的静动力响应。并比较了输电线对输电塔结构风振响应的影响。由于下击暴流强风荷载的作用是输电塔结构倒塔破坏的重要原因,在广泛研究下击暴流特征的基础上,本文提出了用确定性时变过程描述下击暴流平均风速、用调制非平稳随机过程描述下击暴流脉动风速的下击暴流力学模型,并提出了数值模拟下击暴流强风荷载时程的方法,为输电塔结构的分析和设计提供强风荷载模型。通过对一批钢结构试件进行塑性范围内的等位移幅循环加载,测得不同位移幅值作用下试件的滞回曲线,统计了不同位移幅值循环加载时的极限循环次数和极限耗能,并研究了低周疲劳循环过程中杆件刚度变化的规律。鉴于目前广泛应用的破坏准则的一些缺陷,在钢杆件低周疲劳试验的基础上,提出了输电塔结构杆件基于塑性疲劳（s-n）曲线的破坏模型,改进了目前应用的一些破坏准则的缺陷。本文研究了输电线塔结构在下击暴流强风荷载作用下的弹塑性动力分析方法,并结合本文提出的基于塑性疲劳（s-n）曲线的破坏模型,仿真了输电线塔结构在下击暴流强风作用下的倒塔破坏过程,为输电塔结构破坏机理和破坏过程的研究奠定了基础。本文建立了风力作用下输电塔结构安全预警中裂纹萌生疲劳寿命评估方法。通过“安全预警系统实时识别作用在输电塔结构上的实时风荷载…-实时求取风荷载作用下结构构件的应力响应时程——基于Miner疲劳累积损伤准则利用雨流计数法计算各构件的实际风致疲劳累积损伤”和“不在线确定结构所在地按其强度归类的风荷载等级——统计不同等级风荷载在每年内出现的概率特性及其样本——估算结构各构件在剩余时间中的疲劳累积损伤”的方法来估算结构杆件的裂纹萌生疲劳寿命。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 输电线塔结构风振分析的研究现状
• 1.2.1 下击暴流强风荷载
• 1.2.2 输电塔线体系风振反应
• 1.3 结构构件破坏模型的研究现状
• 1.4 结构高周疲劳裂纹萌生寿命估计的研究现状
• 1.5 目前研究的不足之处
• 1.6 本文的主要工作
• 第二章 输电线塔结构的有限元模型及风振响应分析
• 2.1 引言
• 2.2 输电塔结构的有限元模型
• 2.3 输电线的有限元模型
• 2.3.1 四节点等参索单元
• 2.3.2 带预拉力的直线单元
• 2.3.3 输电线单元数值算例
• 2.4 输电线塔结构的动力特性分析
• 2.4.1 输电塔结构的动力特性分析
• 2.4.2 输电线塔结构的有限元模型
• 2.4.3 输电线塔结构的动力特性分析
• 2.5 近地风作用下输电线塔结构的风振响应分析
• 2.5.1 作用在输电线塔结构上的近地风荷载
• 2.5.2 输电线塔结构的非线性静力分析
• 2.5.3 输电线塔结构的非线性动力分析
• 2.5.4 数值算例
• 2.6 本章小结
• 第三章 下击暴流强风荷载模型及其模拟方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 下击暴流的基本特征
• 3.3 下击暴流强风荷载的力学模型
• 3.3.1 下击暴流平均风速的力学模型
• 3.3.2 下击暴流脉动风速的力学模型
• 3.3.3 下击暴流脉动风速的数值模拟方法
• 3.3.4 下击暴流强风荷载的力学模型
• 3.4 下击暴流风速的数值模拟算例
• 3.4.1 下击暴流时变平均风速的模拟
• 3.4.2 下击暴流脉动风速的模拟
• 3.5 本章小结
• 第四章 输电塔钢杆件塑性疲劳试验及破坏模型研究
• 4.1 引言
• 4.2 输电塔钢杆件的塑性疲劳试验
• 4.2.1 试验目的和思路
• 4.2.2 试件设计
• 4.2.4 式验装置及加载制度
• 4.2.5 试验过程
• 4.3 输电塔钢杆件的塑性疲劳试验结果分析
• 4.4 输电塔钢杆件塑性疲劳破坏模型
• 4.4.1 输电塔钢杆件塑性疲劳的s-n曲线
• 4.4.2 输电塔钢杆件低周疲劳破坏模型
• 4.5 本章小结
• 第五章 强风作用下输电线塔的倒塔破坏过程仿真
• 5.1 引言
• 5.2 输电线塔结构的弹塑性动力分析
• 5.2.1 杆件恢复力模型及其弹塑性状态转换判定
• 5.2.2 结构的弹塑性动力计算程序的编制
• 5.3 杆件塑性应变幅的统计
• 5.3.1 雨流法统计塑性应变幅的原理及程序实现
• 5.3.2 杆件塑性疲劳破坏的计算
• 5.4 输电塔在下击暴流强风荷载作用下的破坏过程仿真
• 5.5 本章小结
• 第六章 输电线塔结构裂纹萌生高周疲劳寿命估计
• 6.1 引言
• 6.2 裂纹萌生高周疲劳的基本理论
• 6.2.1 裂纹萌生高周疲劳的机理
• 6.2.2 裂纹萌生s-n曲线
• 6.3 时域内计算输电线塔的疲劳累积损伤
• 6.3.1 疲劳累积损伤理论
• 6.3.2 雨流法计算疲劳累积损伤
• 6.4 输电线塔结构安全预警系统中高周疲劳寿命的估计
• 6.4.1 安全预警系统中风荷载的实测和统计
• 6.4.2 有累积损伤的实时计算
• 6.4.3 裂纹萌生高周疲劳寿命的实时估计
• 6.4.4 数值仿真
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间发表和完成的论文
• 作者攻读博士学位期间参与的研究项目
• 致谢