高耸结构风致疲劳安全预警的理论和方法

论文摘要

桅杆、输电塔等高耸钢塔架结构受气候影响十分显著,风荷载是其主要荷载。由于结构的高柔性和风荷载的随机性,高耸结构对风的作用特别敏感,较易因风力引起的结构构件的疲劳破坏而造成整个结构的倒塌。考虑到结构构件的风致疲劳破坏是一种累积效应,若能建立起在结构构件达到80%或90%的疲劳极限寿命时就可告知用户的结构风致疲劳的安全预警系统,那就可据此更换构件,防止结构发生因风致疲劳造成的倒塌。由此可知,研究高耸结构风致疲劳安全预警的基本理论与方法有着重要的工程意义,能提高结构在使用中的安全保障能力。本文主要以桅杆结构为例,详细地研究了结构风致疲劳安全预警系统的各组成部分,探讨了结构有限元分析模型的建立、风振响应计算、结构动态荷载识别、模型修正、风致疲劳分析、结构安全预警的系统组成等内容。本文研究了桅杆结构非线性有限元模型的建立方法。推导了用多项式表达的纤绳等效非线性弹簧模型,同时研究了纤绳的多节点曲线索元模型。阐述了用梁单元和杆单元来描述的桅杆杆身有限元模型。研究了多维动力风荷载的模拟和时域内桅杆结构非线性静力、动力计算方法。本文的桅杆结构建模与动力分析方法也适用于输电线塔结构。动态荷载的确定是一个较难的问题,自由度多且具有非线性的桅杆、输电线塔结构的动态荷载识别更少有人涉足。本文提出了高耸结构等效二维动力风荷载的概念,建立了桅杆结构和输电塔结构考虑非线性的等效二维动力风荷载识别模型,针对桅杆等非线性结构动态荷载识别的特点,采用基于简化模型的直接识别法、基于精细时程积分的荷载识别法和基于模态分析的动态荷载识别方法较好地解决了桅杆结构动态荷载的识别问题。在结构安全预警系统中,有限元理论模型与实际结构模型的差异可能会导致预警失实而无效,因此需要进行模型修正。本文分析总结了常用结构有限元模型修正方法的优缺点和适用范围。根据高耸塔架结构的特点,以桅杆结构为例,基于规划优化的原理,提出了高耸结构模型修正的方法,建立了端部刚度可调的杆件单元模型,在此基础上以组合单元杆件形式的有限元模型为对象,对桅杆结构进行了模型修正。本文建立了高耸塔架结构中广泛使用的螺栓节点板联结节点的精细有限元模型,提出了一种优化等效的方法,以刚度矩阵的误差最小为等效原则,在把节点处杆件的半刚性联接等效为杆端截面抗弯刚度下降的基础上,得到了螺栓节点联结杆件的精细有限元模型与简化有限元模型的等效关系。本文研究了结构风致疲劳安全预警中的构件疲劳累积损伤和剩余寿命估计问题。阐述了适用于高耸钢结构疲劳分析的S-N曲线法和断裂力学方法,给出了桅杆等高耸结构风致疲劳累积损伤和剩余寿命的计算方法和步骤,论述了改进的简化雨流法的基本原理与程序实现,并分析了桅杆结构改善构件的疲劳性能和进行风振疲劳控制设计的方法,对一现役桅杆结构进行了基于S-N曲线法和断裂力学方法的疲劳损伤和剩余寿命仿真计算。基于结构动力风荷载识别、有限元模型修正和风致疲劳分析,本文对桅杆结构风致疲劳安全预警的系统组成和工作原理进行了研究。阐述了安全预警系统的工作原理和各子系统的功能,并研究了使用疲劳寿命计进行结构健康监测与安全预警的方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 高耸结构的工程应用状况
• 1.1.2 高耸结构的破坏事故分析
• 1.2 课题的背景和研究意义
• 1.2.1 课题来源
• 1.2.2 课题的研究目的及意义
• 1.2.3 高耸结构风致疲劳安全预警
• 1.3 国内外研究现状及分析
• 1.3.1 工程结构的安全预警
• 1.3.2 高耸结构的风振响应
• 1.3.3 高耸结构的荷载识别
• 1.3.4 高耸结构的模型修正
• 1.3.5 高耸结构的风致疲劳
• 1.4 本文的研究工作
• 第2章 桅杆结构的计算模型和风振响应分析
• 2.1 引言
• 2.2 桅杆结构的整体计算模型
• 2.3 纤绳模型
• 2.3.1 纤绳静力解析模型
• 2.3.2 纤绳等效非线性弹簧模型
• 2.3.3 纤绳多节点等参索元模型
• 2.4 杆身模型
• 2.4.1 空间杆单元
• 2.4.2 空间梁单元
• 2.5 风荷载的时程模拟
• 2.5.1 脉动风压的功率谱密度函数
• 2.5.2 脉动风压系数及空间相关性
• 2.5.3 脉动风荷载的功率谱密度函数
• 2.5.4 多维脉动风荷载的模拟方法及算例
• 2.6 时域内动力响应分析
• 2.6.1 桅杆结构的非线性静力分析
• 2.6.2 桅杆结构的非线性动力分析
• 2.7 计算实例与分析
• 2.8 本章小结
• 第3章 高耸结构等效动力风荷载识别
• 3.1 引言
• 3.2 高耸结构的等效动力风荷载及其识别过程
• 3.2.1 等效二维动力风荷载
• 3.2.2 荷载识别过程
• 3.3 高耸结构等效动力风荷载识别的分析模型
• 3.3.1 桅杆结构等效动力风荷载识别的分析模型
• 3.3.2 输电塔结构等效动力风荷载识别的分析模型
• 3.4 基于简化模型的荷载直接识别法
• 3.4.1 动态荷载识别的简化模型
• 3.4.2 动态荷载的直接识别法
• 3.4.3 数值算例
• 3.5 基于精细时程积分的荷载识别方法
• 3.5.1 精细逐步积分法
• 3.5.2 动态荷载的精细逐步积分识别方法
• 3.5.3 数值算例
• 3.6 基于模态分析的动态荷载识别方法
• 3.6.1 基于模态分析的荷载识别法
• 3.6.2 动态荷载的精细逐步积分模态识别法
• 3.6.3 数值算例
• 3.7 动态荷载识别的误差与精度问题
• 3.8 本章小结
• 第4章 高耸结构的模型修正
• 4.1 引言
• 4.2 结构有限元模型修正方法
• 4.2.1 矩阵型修正方法
• 4.2.2 基于敏感性分析的矩阵修正方法
• 4.2.3 基于频响函数法的有限元模型修正
• 4.2.4 基于神经网络的结构有限元模型修正法
• 4.2.5 结构模型修正各方法总结
• 4.3 桅杆结构的模型修正
• 4.3.1 基于优化原理的桅杆结构模型修正
• 4.3.2 优化问题的基本理论
• 4.3.3 端部刚度可调的杆件单元计算模型
• 4.3.4 结构的杆件联结节点类型
• 4.3.5 组合单元杆件有限元模型的建立
• 4.4 杆件节点联结的精细分析
• 4.4.1 钢结构节点联结特点与分析方法
• 4.4.2 基于ANSYS有限元的接触分析
• 4.4.3 节点联结精细实体有限元模型
• 4.4.4 非线性对刚度矩阵的影响
• 4.4.5 节点联结构件精细模型的刚度矩阵
• 4.4.6 节点联结构件的优化等效
• 4.4.7 基于共轭梯度法的优化等效方法
• 4.5 计算实例及分析
• 4.5.1 桅杆结构有限元模型修正算例及分析一
• 4.5.2 桅杆结构有限元模型修正算例及分析二
• 4.6 本章小结
• 第5章 桅杆结构构件风致疲劳分析
• 5.1 引言
• 5.2 疲劳问题的基本理论及计算方法
• 5.2.1 疲劳定义
• 5.2.2 S-N曲线法
• 5.2.3 断裂力学方法
• 5.3 桅杆结构时域内疲劳分析方法与步骤
• 5.3.1 现役结构和始建结构的疲劳计算
• 5.3.2 疲劳计算的步骤
• 5.4 桅杆结构疲劳累积损伤及剩余寿命
• 5.4.1 钢结构规范中的疲劳计算
• 5.4.2 疲劳累积损伤
• 5.4.3 疲劳剩余寿命
• 5.5 改进的简化雨流计数法
• 5.5.1 雨流法基本原理
• 5.5.2 改进的简化雨流计数法
• 5.5.3 简化雨流法程序实现的方法与步骤
• 5.6 桅杆结构抗疲劳设计
• 5.6.1 改善构件的疲劳性能
• 5.6.2 风振疲劳控制设计
• 5.7 疲劳计算实例
• 5.8 本章小结
• 第6章 桅杆结构风致疲劳安全预警的系统组成
• 6.1 引言
• 6.2 风致疲劳安全预警系统的总体设计
• 6.2.1 桅杆结构安全预警的相关研究
• 6.2.2 桅杆结构风致疲劳安全预警的系统设计
• 6.3 风致疲劳安全预警系统的工作原理
• 6.3.1 系统的工作原理
• 6.3.2 桅杆结构动力风荷载识别子系统
• 6.3.3 桅杆结构有限元模型修正子系统
• 6.3.4 桅杆结构风致疲劳实时评估子系统
• 6.4 疲劳寿命计的应用
• 6.4.1 疲劳寿命计的工作原理与优点
• 6.4.2 利用疲劳寿命计监测的方法
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 工作展望
• 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