风荷载下输电塔体系动力可靠性分析

论文摘要

输电体系是重要的生命线工程。由于输电体系的工程规模趋于大型化,结构形式复杂多变,工程造价指标大幅提高,对于电力生命线工程的设计和理论研究提出了新的、更高的要求。保证其使用的安全性和可靠性成为结构工程界迫切需要解决的课题。输电塔体系由于具有高柔度、大跨度等特点,故对风荷载非常敏感,风荷载成为输电塔结构的主要设计荷载。同时风荷载作用下输电塔结构的动力可靠度具有十分重要的意义。论文首先阐述了极值风速计算的概率方法。这一部分,文章阐述了极值风速的研究背景,综述了国内外极值风速的研究进展,对比研究了近年来最新的极值风速概率模型,包括三种极值分布（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）、POT方法、MIS法、R-LOS法和相应的改进方法。在比较各种方法的优缺点和适用条件的同时,针对不同的概率分布模型分别给出了具体采用的合理的参数估计方法,如:最小二乘法、最大似然函数法、概率加权矩法和矩法。同时对极值风速的不同方法研究现状进行了总结,文末针对当前的一些热点问题做出了展望。论文分析风场的物理特征,改进了平均风速随高度变化的对数律公式并应用此公式进行风荷载的数值模拟。开展了基于物理的随机风场研究,从随机样本的角度出发,运用谐波叠加法将脉动风模拟为空间相关的多维随机过程,得到输电塔体系沿不同高度的风荷载时程计算样本。基于有限元理论,建立了多种空间非线性有限元模型和运动方程,通过软件SAP2000,结合第三章的风荷载时程样本,进行输电塔体系的模态计算和基于Newmark-β算法的动力响应计算。最后论文分析了可靠性理论的发展趋势,阐述了可靠性尤其是动力可靠性的理论研究现状。论文综合考虑了不同风速、不同重现期等多个因素,应用首次超越理论分别从刚度破坏,强度破坏两方面分析了可靠度理论并针对90.4m的高压输电塔结构进行可靠性分析,包括输电塔体系设计基准期内风荷载动力可靠性分析和一次强风下输电塔可靠度分析。另外文章还对比串联体系的可靠度与顶端简化可靠度的计算结果。最后,论文基于疲劳累积损伤理论的S-N曲线法分析了高耸结构的风振疲劳问题。在时域内用雨流计数法统计了应力时程的幅值分布,计算了结构的累积损伤,疲劳寿命和疲劳可靠度。在频域内应用窄带法,等效窄带法和Holmes上下限法对比估计结构的疲劳寿命。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 国内外输电体系的研究背景和发展趋势
• 1.2 输电塔线体系防灾减灾的现实需要
• 1.3 输电塔线体系的结构形式
• 1.4 本文主要研究工作
• 2 极值风速概率方法研究
• 2.1 极值风速研究意义和研究现状
• 2.1.1 极值风速研究意义
• 2.1.2 极值风速研究现状
• 2.2 极值风速概率研究方法
• 2.2.1 年最大值抽样方法
• 2.2.2 极值Ⅰ分布
• 2.2.3 极值Ⅱ分布
• 2.2.4 极值Ⅲ分布
• 2.2.5 极值分布分析
• 2.3 跨阈法（POT—Peaks over threshold approach）
• 2.4 MIS-独立风暴法
• 2.5 R-LOS法（The R Largest Order Statistics）
• 2.6 本章小结
• 3 风荷载数值模拟
• 3.1 风荷载的基本特征
• 3.1.1 大气边界层风特性研究
• 3.1.2 平均风速统计特征
• 3.2 脉动风
• 3.2.1 脉动风描述
• 3.2.2 脉动风数值模拟
• 3.3 输电塔风速数值模拟
• 3.4 本章小结
• 4 输电塔动力分析
• 4.1 输电塔动力有限元模型
• 4.2 输电塔模态分析
• 4.3 输电塔风荷载动力响应
• 4.3.1 风荷载
• 4.3.2 运动方程的建立
• 4.3.3 输电塔风荷载下动力响应特性
• 4.4 本章小结
• 5 输电塔动力可靠性分析
• 5.1 概述
• 5.2 输电塔结构破坏机理
• 5.3 可靠度基本理论
• 5.3.1 可靠度与失效概率
• 5.3.2 交差问题
• 5.3.3 动力可靠度计算
• 5.4 风荷载下输电塔基于刚度破坏的动力可靠性分析
• 5.4.1 一次强风作用下输电塔动力可靠性计算
• 5.4.2 设计基准期的动力可靠度计算
• 5.5 输电塔结构的强度动力可靠性分析
• 5.6 输电塔疲劳可靠性分析
• 5.6.1 疲劳累积损伤理论和可靠度计算
• 5.6.2 疲劳时域分析
• 5.6.3 疲劳频域分析
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢