CN106611087B - 一种电视塔震害预测评估方法 - Google Patents

一种电视塔震害预测评估方法 Download PDF

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Abstract

一种电视塔震害预测评估方法，本发明涉及电视塔震害预测评估方法。本发明的目的是为了解决现有电视塔的震害预测采用有限元计算又费时费力，而且需要精确了解电视塔的结构细节，预测结果缺少时效性的缺点。过程为：一、确定电视塔参数；电视塔参数包括塔身高度h、电视塔总高度H、PGA和地震破坏等级指数；根据电视塔当地的烈度，确定PGA取值；二、如果两种情况参数同时存在，用ID＝max[IDi]j表示地震破坏等级指数；两种情况参数为：1：以塔身高度和PGA为变量；2：以电视塔总高度和PGA为变量；步骤三、查询地震破坏等级指数ID与破坏等级划分标准，确定电视塔的破坏等级。本发明用于电视塔震害预测评估领域。

Description

一种电视塔震害预测评估方法
技术领域
本发明涉及电视塔震害预测评估方法。
背景技术
广播电视塔往往比较高，作为特殊的高耸建筑结构，随着高度的增加，功能多样化，其结构形式也在不断发展。从最初的221.2m到现在的610m，电视塔不仅在高度上，而且在结构等方面都在不断完善，也从最初的通讯等单一功能演变成集通讯、娱乐等为一体的综合性建筑，亦成为城市的地标性建筑。
电视塔结构类型以钢筋混凝土结构和钢结构为主。目前，我国已建成的大型电视塔中，钢结构塔约占70％，钢筋混凝土结构塔约占30％。由于防锈维护困难等因素钢结构塔逐渐被钢筋混凝土塔取代。
电视塔是通信系统中重要组成部分。地震中，电视塔有可能造成一定的破坏，从而引起通讯中断。而破坏的程度对抗震应急救灾、震后恢复等都很大影响，因此，对于电视塔的震害预测具有重要意义。
目前，由于电视塔结构形式多样，震害经验也比较少，国内外还没有电视塔的震害预测方法，用有限元计算又费时费力，而且需要精确了解电视塔的结构细节，这往往由于保密等因素很难办到，对于需要马上了解电视塔震害预测结果更是缺少时效性。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有电视塔的震害预测采用有限元计算又费时费力，而且需要精确了解电视塔的结构细节，预测结果缺少时效性的缺点，而提出一种电视塔震害预测评估方法。
一种电视塔震害预测评估方法具体过程为：
步骤一、确定电视塔参数；
电视塔参数包括塔身高度h、电视塔总高度H、PGA和地震破坏等级指数；
根据电视塔当地的烈度，确定PGA取值；
PGA为地面加速度峰值，单位为cm/s2；
步骤二、如果两种情况参数同时存在，用通用公式3表示地震破坏等级指数；
两种情况参数为：
情况1：以塔身高度和PGA为变量；
情况2：以电视塔总高度和PGA为变量；
ID＝max[IDi]j (3)
式中，IDi分别为采用塔身高度和电视塔总高度计算的地震破坏等级指数；i＝1,2，j＝6,7,8,9,10分别表示烈度为VI度、VII度、VIII度、IX度和X度；[IDi]j对应烈度为VI度、VII度、VIII度、IX度和X度的破坏等级指数；
步骤三、查询地震破坏等级指数ID与破坏等级划分标准，确定电视塔的破坏等级。
本发明的有益效果为：
本发明发明了一个快速计算电视塔地震破坏状态的震害预测模型。该模型以国外内现有的电视塔地震弹塑性分析结果为基础，提炼出以塔身高度、总高度和地面峰值加速度为参数的模型，所需要的参数比较少，而且参数比较易获得，能够快速给出预测结果。通过分析，表明该方法模型对电视塔震害预测工作具有很好的适用性，可以对电视塔进行快速评估。当地震破坏等级指数0≤ID≤30时，电视塔的破坏等级为基本完好；当地震破坏等级指数30＜ID≤50时，电视塔的破坏等级为轻微破坏；当地震破坏等级指数50＜ID≤70时，电视塔的破坏等级为中等破坏；当地震破坏等级指数70＜ID≤90时，电视塔的破坏等级为严重破坏；当地震破坏等级指数ID＞90时，电视塔的破坏等级为毁坏。
本发明创造的优点、特点、主要性能指标：
1)所需要的参数少且易获得；
2)能够快速给出预测结果，计算效率级数提高；
3)该发明对电视塔具有很好的适用性；
4)其精度能够满足震害预测工作的需要。
附图说明
图1为电视塔地震破坏等级指数计算公式拟合三维曲面图；
图2为拟合Y-Z投影图；
图3为以总高度和PGA为变量的拟合三维曲面图；
图4为图3的Y-Z投影图；
图5为各个点的计算结果图；
图6为两个公式的误差大小示意图；
图7为深圳梧桐山电视塔的有限元模型图；
图8为X方向第一阶振型2.1005s示意图；
图9为Y方向第一阶振型2.0924s示意图；
图10为X方向第二阶振型1.4538s示意图；
图11为Y方向第二阶振型1.4526s示意图；
图12为X方向第三阶振型0.7950s示意图；
图13为Y方向第三阶振型0.8025s示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种电视塔震害预测评估方法具体过程为：
步骤一、确定电视塔参数；
电视塔参数包括塔身高度h、电视塔总高度H、PGA和地震破坏等级指数；
根据电视塔当地的烈度，确定PGA取值；
PGA为地面加速度峰值，单位为cm/s2；
步骤二、如果两种情况参数同时存在，则用公式1和2分别计算，采用震害较大的情况，用通用公式3表示表示地震破坏等级指数；
两种情况参数为：
情况1：以塔身高度和PGA为变量；
情况2：以电视塔总高度和PGA为变量；
ID＝max[IDi]j (3)
式中，IDi分别为采用塔身高度和电视塔总高度计算的地震破坏等级指数；i＝1,2，j＝6,7,8,9,10分别表示烈度为VI度、VII度、VIII度、IX度和X度；[IDi]j对应烈度为VI度、VII度、VIII度、IX度和X度的破坏等级指数；
步骤三、查询地震破坏等级指数与破坏等级划分标准，如表1所示，确定电视塔的破坏等级。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中确定电视塔参数；
电视塔参数包括电视塔名称、塔身高度h、总高度H、PGA、最大层间位移角和地震破坏等级指数；
具体过程为：
根据相关文献确定了广播电视塔层间位移角与地震破坏等级以及地震破坏等级指数的对应关系。地震破坏等级、地震破坏等级指数ID、层间位移角θu三者之间的对应关系见表1。
表1破坏等级指数与破坏等级划分标准
电视塔参数包括电视塔名称、塔身高度h、总高度H、PGA、最大层间位移角和地震破坏等级指数；如表2所示：
所统计样本数据首先统计了国内外(以国内为主)广播电视塔地震弹塑性分析结果，统计结果如表2所示。包括电视塔名称、塔身高度、总高度、PGA、最大层间位移角等信息。
表2电视塔样本信息
根据表1和表2中的相关数据，
当以塔身高度和PGA为变量时，拟合得到置信区间为95％的电视塔地震破坏等级指数ID预测公式为：
式中，ID1为以塔身高度和PGA为变量时的地震破坏等级指数；h为塔身高度，单位为米；PGA为地面加速度峰值，单位为cm/s2；需要注意的是公式1为拟合公式，变量单位并无实际物理意义，输入时取无量纲数值；
拟合结果表明，公式1的确定系数(R-square)为0.9807；公式拟合曲面见图1，根据图1、2可知公式拟合结果较好。
另一方面，从曲面的走势可以看出，高度一定，PGA越大，破坏等级指数越大；PGA越大，尤其在PGA非常大时，高度越小，破坏等级指数越大。这些都比较符合破坏指数的变化趋势，可以认为拟合趋势正确，拟合结果较好。
当以电视塔总高度和PGA为变量时，拟合得到置信区间为95％的电视塔地震破坏等级指数预测公式为：
式中，ID2为以电视塔总高度和PGA为变量时的地震破坏等级指数；H为塔总高度，单位为米；PGA为地面加速度峰值，单位为cm/s2；变量单位并无实际物理意义，输入时取无量纲数值。
拟合结果表明，公式2的确定系数(R-square)为0.8924；公式拟合曲面见图3和图4，根据图3、4可知公式拟合结果较好。
需要注意的是，公式2在靠近原点处有可能会小于0，因此，公式2中当ID2<0时，取ID2＝0；
用公式1和2分别计算这些点，并考虑破坏状态，见图5，结合表1可以得到，用公式1和公式2计算的结果准确率都能达到82％。但从误差大小来看，如图6所示，绝大多数点的误差都比较接近，都使结果落入同一个破坏状态区间，但是从图6可以看到，公式2在个别点计算上使误差偏移的不是很大，虽然结果依然没有落入正确的破坏区间。对于电视塔的震害预测来说，两种公式计算的精度是一样的，采用公式时根据数据的情况选用即可。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述当以塔身高度和PGA为变量时，拟合得到置信区间为95％的电视塔地震破坏等级指数ID预测公式(1)具体求解过程为：
根据h和PGA，采用曲面拟合，拟合模型为：
式中，p00、p01、p02、p03、p04为系数，均为实数；
经过曲面拟合并保证置信区间为95％，各个系数的取值及范围，其中取值为数据范围的期望值；
p00取值范围为-57.74≤p00≤138.2，p00取40.22；
p01取值范围为-8.881≤p01≤3.258，p01取-2.881；
p02取值范围为0.03451≤p02≤0.3215，p02取0.178；
p03取值范围为-5.387e-005≤p03≤2.28e-005，p03取-1.553e-005；
p04取值范围为-0.0001823≤p04≤0.0001668，p04取-7.741e-006；
其中，公式1的确定系数R-square为0.9807，拟合效果较好。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述当以电视塔总高度和PGA为变量时，拟合得到置信区间为95％的电视塔地震破坏等级指数预测公式(2)具体求解过程为：
根据H和PGA数据，采用曲面拟合，拟合模型为：
式中，p00、p01、p02、p03、p04为系数，均为实数；
经过曲面拟合并保证置信区间为95％，各个系数的取值及范围，其中取值为数据范围的期望值；
p00取值范围为-313.9≤p00≤207.1，p00取-53.4；
p01取值范围为-11≤p01≤15.46，p01取2.23；
p02取值范围为-0.2209≤p02≤0.7066，p02取0.2429；
p03取值范围为-3.985e-005≤p03≤4.105e-005，p03取5.978e-007；
p04取值范围为-0.0004565≤p04≤9.963e-005，p04取-0.0001784；
其中，公式2的确定系数R-square为0.8924，拟合效果较好。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤一中根据电视塔当地的烈度，确定PGA取值；具体过程为：
地面加速度峰值PGA是一个连续的数，一般是大于0的数，但是在做震害预测工作时，有时候需要以烈度给出结果，有时候需要以PGA给出，趋势是以PGA给出，因此出现了结果既有烈度又有PGA的情况。这里给出的是PGA为参数的函数，考虑的不光是给出震害预测的结果，而是想看电视塔的破坏到底是和PGA是什么关系，震害预测结果只是被提取出来而已。
PGA与烈度有一个大致的对应关系，烈度为VI度对应50cm/s2，烈度为VII度对应100(150)cm/s2，烈度为VIII度对应200(300)cm/s2，烈度为IX度对应400cm/s2，烈度为X度对应800cm/s2；
烈度为VI度时，地面加速度峰值PGA为50cm/s2，即0.05g；
烈度为VII度时，地面加速度峰值PGA为100cm/s2，即0.1g；
烈度为VIII度时，地面加速度峰值PGA为200cm/s2，即0.2g；
烈度为IX度时，地面加速度峰值PGA为400cm/s2，即0.4g；
烈度为X度时，地面加速度峰值PGA为800cm/s2，即0.8g；
烈度为VII强时，地面加速度峰值PGA为150cm/s2，即0.15g；
烈度为VIII强时，地面加速度峰值PGA为300cm/s2，即0.3g；
地面加速度峰值PGA为150cm/s2、300cm/s2分别是针对VII强和VIII强地区。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述步骤三中查询地震破坏等级指数与破坏等级划分标准，如表1所示，确定电视塔的破坏等级；具体过程为：
破坏等级分为五类，即基本完好，轻微破坏，中等破坏，严重破坏和毁坏；
各破坏等级的具体描述如下：
基本完好：结构没有受损，不经维修即可使用；
轻微破坏：塔体完好，天线倾斜，部分设备紧固件损坏，经短期维修即可使用；
中等破坏：斜杆、横杆等非主要构尖稍有屈曲，塔体稍有永久变形，需经较长时间修理方可使用；
严重破坏：塔柱屈曲，塔体严重倾倒，难以修复。
毁坏：塔柱混凝土被压碎，塔体局部倒塌或整体倒塌。
当地震破坏等级指数0≤ID≤30时，电视塔的破坏等级为基本完好；
当地震破坏等级指数30＜ID≤50时，电视塔的破坏等级为轻微破坏；
当地震破坏等级指数50＜ID≤70时，电视塔的破坏等级为中等破坏；
当地震破坏等级指数70＜ID≤90时，电视塔的破坏等级为严重破坏；
当地震破坏等级指数ID＞90时，电视塔的破坏等级为毁坏。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例一种电视塔震害预测评估方法具体是按照以下步骤制备的：
(1)确定电视塔的基本参数；
(2)根据电视塔所在地区查询当地基本烈度所对应的PGA数值，比如某些地区的VIII度是对应150cm/s2，而有的地区是对应100cm/s2；
(3)根据已知参数选择公式，如果是塔身高度采用公式1，总高度选择公式2；
(4)采用公式3计算；
(5)根据公式1、2、3计算出的数值查询破坏等级指数与破坏等级划分标准(表1)；可得到电视塔的破坏状态。
深圳梧桐山电视塔，建在深圳市东侧梧桐山风景区内的小梧桐山山顶。该楼由塔楼、塔身及塔座组成，其中塔身、塔楼、塔座均为钢结构。总建筑面积为8283m2，其中塔座5269m2，塔楼3014m2。建筑基地面积为862m2。塔座为5层，塔楼7层，建筑高度为198m。钢结构总高度205m，塔±0.000米标高相当于海拔高程649.600米。钢管混凝土塔柱，其钢管采用Q235-B钢制成的直缝焊接钢管，现场分段吊装准确就位后，钢管内浇灌C35混凝土。建筑场地类别为I类，场地土类型属于中硬场地土。抗震设防烈度为7度，框架抗震等级为二级。基础采用柱下独立基础，持力层为第一层砂质粘土，其承载力标准值为220KPa。经现场调查，该结构无基础不均匀沉降、开裂等异常现象，使用正常。有限元计算模型如图7所示，计算结果如图8至13，表3所示。
表3电视塔各部位最大应力(Mpa)
从震害经验来看，高耸结构震时加速度、位移较大，特别是结构顶部更为突出，可能出现天线损坏，设备紧固件损坏等情况。根据电视塔各部位最大应力与材料许用应力的关系，可以得到电视塔的破坏状态，如表4所示。
表4有限元计算结果
名称 VI度 VII度 VIII度 IX度 X度
破坏状态 基本完好 基本完好 基本完好 轻微破坏 中等破坏
采用公式1对梧桐山电视塔进行计算，并对照表1，得到结果如表5所示，
表5公式1计算结果
名称 VI度 VII度 VIII度 IX度 X度
ID 8.5 15.3 27.3 46.0 68.5
破坏状态 基本完好 基本完好 基本完好 轻微破坏 中等破坏
从表4和表5可以看到，两种破坏状态的结果一致，说明公式1具有很好的适用性。
采用公式2对梧桐山电视塔进行计算，并对照表1，得到结果如表6所示，
表6公式2计算结果
名称 VI度 VII度 VIII度 IX度 X度
ID 0 1.2 20.3 48.1 61.4
破坏状态 基本完好 基本完好 基本完好 轻微破坏 中等破坏
从表4和表6可以看到，两种破坏状态的结果一致，说明公式2具有很好的适用性。
公式1和公式2计算的结果相同，根据之前的结论，两种公式同样具有适用性和实用性。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种电视塔震害预测评估方法，其特征在于：所述方法具体过程为：
步骤一、确定电视塔参数；
电视塔参数包括塔身高度h、电视塔总高度H、PGA和地震破坏等级指数；
根据电视塔当地的烈度，确定PGA取值；
PGA为地面加速度峰值，单位为cm/s2；
具体过程为：
当以塔身高度和PGA为变量时，拟合得到置信区间为95％的电视塔地震破坏等级指数ID预测公式为：
式中，ID1为以塔身高度和PGA为变量时的地震破坏等级指数；h为塔身高度，单位为米；PGA为地面加速度峰值，单位为cm/s2；
公式1的确定系数为0.9807；
当以电视塔总高度和PGA为变量时，拟合得到置信区间为95％的电视塔地震破坏等级指数预测公式为：
式中，ID2为以电视塔总高度和PGA为变量时的地震破坏等级指数；H为塔总高度，单位为米；PGA为地面加速度峰值，单位为cm/s2；
公式2的确定系数为0.8924；
公式2中当ID2＜0时，取ID2＝0；
步骤二、如果两种情况参数同时存在，用通用公式(3)表示地震破坏等级指数；
两种情况参数为：
情况1：以塔身高度和PGA为变量；
情况2：以电视塔总高度和PGA为变量；
ID＝max[IDi]j (3)
式中，IDi分别为采用塔身高度和电视塔总高度计算的地震破坏等级指数；i＝1,2，j＝6,7,8,9,10分别表示烈度为VI度、VII度、VIII度、IX度和X度；[IDi]j对应烈度为VI度、VII度、VIII度、IX度和X度的破坏等级指数；
步骤三、查询地震破坏等级指数ID与破坏等级划分标准，确定电视塔的破坏等级。
2.根据权利要求1所述一种电视塔震害预测评估方法，其特征在于：所述当以塔身高度和PGA为变量时，拟合得到置信区间为95％的电视塔地震破坏等级指数ID预测公式1具体求解过程为：
根据h和PGA，采用曲面拟合，拟合模型为：
式中，p00、p01、p02、p03、p04为系数，均为实数；
经过曲面拟合并保证置信区间为95％，各个系数的取值为数据范围的期望值；
p00取值范围为-57.74≤p00≤138.2，p00取40.22；
p01取值范围为-8.881≤p01≤3.258，p01取-2.881；
p02取值范围为0.03451≤p02≤0.3215，p02取0.178；
p03取值范围为-5.387e-005≤p03≤2.28e-005，p03取-1.553e-005；
p04取值范围为-0.0001823≤p04≤0.0001668，p04取-7.741e-006。
3.根据权利要求2所述一种电视塔震害预测评估方法，其特征在于：所述当以电视塔总高度和PGA为变量时，拟合得到置信区间为95％的电视塔地震破坏等级指数预测公式2具体求解过程为：
根据H和PGA数据，采用曲面拟合，拟合模型为：
式中，p00、p01、p02、p03、p04为系数，均为实数；
经过曲面拟合并保证置信区间为95％，各个系数的取值为数据范围的期望值；
p00取值范围为-313.9≤p00≤207.1，p00取-53.4；
p01取值范围为-11≤p01≤15.46，p01取2.23；
p02取值范围为-0.2209≤p02≤0.7066，p02取0.2429；
p03取值范围为-3.985e-005≤p03≤4.105e-005，p03取5.978e-007；
p04取值范围为-0.0004565≤p04≤9.963e-005，p04取-0.0001784。
4.根据权利要求3所述一种电视塔震害预测评估方法，其特征在于：所述步骤一中根据电视塔当地的烈度，确定PGA取值；具体过程为：
烈度为VI度时，地面加速度峰值PGA为50cm/s2，即0.05g；
烈度为VII度时，地面加速度峰值PGA为100cm/s2，即0.1g；
烈度为VIII度时，地面加速度峰值PGA为200cm/s2，即0.2g；
烈度为IX度时，地面加速度峰值PGA为400cm/s2，即0.4g；
烈度为X度时，地面加速度峰值PGA为800cm/s2，即0.8g；
烈度为VII强时，地面加速度峰值PGA为150cm/s2，即0.15g；
烈度为VIII强时，地面加速度峰值PGA为300cm/s2，即0.3g。
5.根据权利要求4所述一种电视塔震害预测评估方法，其特征在于：所述步骤三中查询地震破坏等级指数与破坏等级划分标准，确定电视塔的破坏等级；具体过程为：
破坏等级分为五类，即基本完好，轻微破坏，中等破坏，严重破坏和毁坏；
当地震破坏等级指数0≤ID≤30时，电视塔的破坏等级为基本完好；
当地震破坏等级指数30＜ID≤50时，电视塔的破坏等级为轻微破坏；
当地震破坏等级指数50＜ID≤70时，电视塔的破坏等级为中等破坏；
当地震破坏等级指数70＜ID≤90时，电视塔的破坏等级为严重破坏；
当地震破坏等级指数ID＞90时，电视塔的破坏等级为毁坏。
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