CN111783326B - 基于风速和动响应测试的输电塔结构风致安全性评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于风速和动响应测试的输电塔结构风致安全性评估方法，包括如下步骤：实测在役输电塔的风场信息以及结构动力风致响应；生成作用在输电塔塔体的真实风荷载时程；获得包含结构损伤的高保真有限元模型；对包含有损伤的高保真有限元模型施加真实的动力风荷载，使用时程分析方法获得整个结构各个时刻真实的全场应力分布；利用数值计算获得的结构全场应力分布，采用Ditlevsen窄界限理论计算结构的风致动力可靠度，对强风环境下输电塔结构的安全性进行实时评估。本发明以现场实测数据保障数值分析的真实性，并通过数值计算获得输电塔的全场应力分布，进而评估整个结构的风致动力可靠度，可以实时地给出在役输电塔结构风致失效概率。
Description
技术领域
本发明涉及输电塔结构安全性评估方法，特别涉及基于风速和动响应测试的输电塔结构风致安全性评估方法。
背景技术
输电塔线体系是电力传输的载体，是生命线工程的重中之重。输电塔是塔线体系的主要构成部分，一般为钢桁架塔，是高耸柔性结构，对风荷载异常敏感。根据统计，风荷载是造成输电塔破坏甚至倒塌的最主要原因，为了保障输电塔在强风作用下的安全性，工程人员在一些输电塔塔体安装了结构健康监测系统，期望能够通过对于强风作用下结构力学状态的监测与分析，定量地评估结构的可靠度，以保障在役输电塔的安全性。
若要对输电塔进行定量的安全性评估，则需要采用Ditlevsen窄界限理论等方法计算结构的风致动力可靠度，计算过程中需使用结构的瞬时全场应力分布。然而，当前的结构健康监测系统通常仅在少量杆件上安装了应变传感器，无法直接获得真实结构的全场应力状态。通过有限元分析，工程人员可以掌握结构的全场应力分布，然而，计算使用的数值模型通常基于理想设计状态建立，不能代表真实的物理对象；另外，所使用的外荷载通常由大气边界层风谱及空间相干函数的理论经验公式换算获得，这些理论经验公式均建立在对真实物理现象的简化和保守归纳的基础之上，因此，数值计算所使用的外荷载亦与真实的风荷载相去甚远。如何建立一种有效的输电塔结构风致安全性评估方法，使它能够获取输电塔在强风作用下的真实全场应力状态，进而准确地计算结构的风致动力可靠度，是亟待解决的问题。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种基于风速和动响应测试的输电塔结构风致安全性评估方法。
技术方案：本发明提供一种基于风速和动响应测试的输电塔结构风致安全性评估方法，包括如下步骤：
(1)实测在役输电塔的风场信息以及结构动力风致响应；
(2)生成作用在输电塔塔体的真实风荷载时程；
(3)获得包含结构损伤的高保真有限元模型；
(4)对包含有损伤的高保真有限元模型施加真实的动力风荷载，使用时程分析方法获得整个结构各个时刻真实的全场应力分布；
(5)利用数值计算获得的结构全场应力分布，采用Ditlevsen窄界限理论计算结构的风致动力可靠度，对强风环境下输电塔结构的安全性进行实时评估。
进一步地，所述步骤(1)中实测方法为：在塔体不同高度安装的风速仪和加速度传感器，同步获取输电塔的真实风场信息以及结构风致加速度响应。
进一步地，所述步骤(2)中生成真实风荷载时程的方法，首先利用实测风场信息拟合出风速谱及空间相干函数；基于拟合获得的风速谱及空间相干函数，利用四阶AR模型生成真实的风荷载时程。
进一步地，所述风速谱及空间相干函数的表达式如下：
Coh(n)＝exp(481.2Δy*n-2955Δz*n)
式中，S(n)为风速谱；k为von Karman常数；v10为10m高度平均风速；n为频率；Coh(n)为空间相干函数；Δy为两点的横风向间距；Δz为两点的竖向间距。
进一步地，所述步骤(3)中获得包含结构损伤的高保真有限元模型的方法为：
a、利用分形维数方法处理实测结构加速度响应时程，获得在役结构的分形维数曲线；
b、对比在役结构的分形维数曲线与竣工时无损结构的分形维数曲线，定位结构损伤；
c、基于实测结构加速度响应时程，采用EFDD、SSI等模态识别方法识别出在役输电塔的动力特性；
d、将基于分型维数法判定的损伤构件的材料参数视为不确定参数，将实测结构动力特性视为优化目标，采用动力有限元模型修正的方法定量识别出结构损伤，进而建立包含结构损伤的高保真有限元模型。
进一步地，所述步骤(4)中全场应力分布的获得方法：对包含有损伤的高保真有限元模型施加真实的动力风荷载，使用时程分析方法获得整个结构各个时刻真实的全场应力分布。
有益效果：本发明克服了传统输电塔结构健康监测技术仅能获取有限测点位置上的结构动应力的不足，综合了基于AR模型的风速时程模拟方法，基于分形维数的结构损伤定位方法以及基于动力模型修正的结构定量损伤识别方法，实时获取真实结构的全场应力状态；本发明采用Ditlevsen窄界限理论计算结构的风致动力可靠度，使对在役输电塔的定量风致安全性能评估成为可能。
附图说明
图1为本发明实施例中输电塔损伤部位；
图2为本发明实施例中加速度传感器和风速仪的位置；
图3为本发明实施例中89.39m高度处风速谱的拟合结果；
图4为本发明实施例中89.39m高度和84.98m高度处风速样本间相干函数的拟合结果；
图5为本发明实施例中89.39m高度处模拟生成的风速样本以及实测风速样本对比；
图6为本发明实施例中在役结构的分形维数曲线与竣工时无损结构的分形维数曲线对比；
图7为本发明实施例中20s时刻计算获得的全场应力分布。
具体实施方式
以某高度为131m的大型输电塔为例，假定该塔受到10m高平均风速为25m/s、频域特性满足Davenport风速谱及Shiotani相干函数的强风作用，且塔身中部某主材弹性模量折减50％(输电塔损伤部位以图形显示为图1)，采用本发明的方法对该结构进行风致安全性评估。利用数值仿真获得大气边界层强风作用下结构的风致动力响应以及风环境信息，作为实施例的原始数据。
具体实施步骤如下：
(1)实测在役输电塔的风场信息以及结构动力风致响应，具体方法如下：
首先，沿高度在塔体安装的18个横向加速度传感器以及2个风速仪，加速度传感器和风速仪的位置以图形显示为图2。
其次，利用加速度传感器和风速仪同步获取输电塔的真实风场信息以及结构风致加速度响应，本实施例中的实测风场信息以及结构风致加速度响应通过数值仿真获取。
(2)生成作用在输电塔塔体的真实风荷载，具体方法如下：
首先，利用实测风场信息拟合出风速谱及空间相干函数，89.39m高度处风速谱的拟合结果以图形显示为图3，89.39m高度和84.98m高度处风速样本间相干函数的拟合结果以图形显示为图4。拟合获得的风速谱以及相干函数以公式表达为：
Coh(n)＝exp(481.2Δy*n-2955Δz*n) (2)
式中，S(n)为风速谱；k为von Karman常数；v10为10m高度平均风速；n为频率；Coh(n)为空间相干函数；Δy为两点的横风向间距；Δz为两点的竖向间距。
其次，基于拟合获得的风速谱及空间相干函数，利用四阶AR模型生成的风荷载时程，89.39m高度处模拟生成的风速样本以及实测风速样本对比以图形显示为图5。
(3)获得包含结构损伤的高保真有限元模型，具体方法如下：
首先，利用分形维数方法处理实测结构加速度响应时程，获得在役结构的分形维数曲线。
其次，对比在役结构的分形维数曲线与竣工时无损结构的分形维数曲线，在役结构的分形维数曲线与竣工时无损结构的分形维数曲线对比以图形显示为图6。通过图6可以发现二者在4号和5号加速度传感器处差异显著，因此，可以确定损伤为4号和5号加速度传感器之间的塔身主材，这与预设的损伤部位一致。
再其次，基于实测结构加速度响应时程，采用EFDD模态识别方法识别出在役输电塔的动力特性为横向一阶弯曲频率为0.8203Hz，横向二阶弯曲频率为1.836Hz。
最终，将基于分型维数法判定的损伤构件的弹性模量视为不确定参数，将实测结构动力特性视为优化目标，采用子问题优化方法识别出损伤构件弹性模量为7.51e10N/m2，这与预设的损伤部位弹性模量(10e10N/m2)接近。包含结构损伤的高保真有限元模型得以建立。
(4)对包含有损伤的高保真有限元模型施加真实的动力风荷载，使用Newmark-β法计算获得整个结构各个时刻真实的全场应力分布。其中，20s时刻计算获得的全场应力分布以图形显示为图7。
(5)利用数值计算获得的结构全场应力分布，采用Ditlevsen窄界限理论计算结构的风致动力可靠度为1.295e-8≤φ(-βS)≤1.3e-8。
Claims (3)
1.一种基于风速和动响应测试的输电塔结构风致安全性评估方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)实测在役输电塔的风场信息以及结构动力风致响应；
(2)生成作用在输电塔塔体的真实风荷载时程；首先利用实测风场信息拟合出风速谱及空间相干函数；基于拟合获得的风速谱及空间相干函数，利用四阶AR模型生成真实的风荷载时程；
所述风速谱及空间相干函数的表达式如下：
Coh(n)＝exp(481.2Δy*n-2955Δz*n)
式中，S(n)为风速谱；k为von Karman常数；v10为10m高度平均风速；n为频率；Coh(n)为空间相干函数；Δy为两点的横风向间距；Δz为两点的竖向间距；
(3)获得包含结构损伤的高保真有限元模型；获得包含结构损伤的高保真有限元模型的方法为：
a、利用分形维数方法处理实测结构加速度响应时程，获得在役结构的分形维数曲线；
b、对比在役结构的分形维数曲线与竣工时无损结构的分形维数曲线，定位结构损伤；
c、基于实测结构加速度响应时程，采用EFDD、SSI模态识别方法识别出在役输电塔的动力特性；
d、将基于分型维数法判定的损伤构件的材料参数视为不确定参数，将实测结构动力特性视为优化目标，采用动力有限元模型修正的方法定量识别出结构损伤，进而建立包含结构损伤的高保真有限元模型；
(4)对包含有损伤的高保真有限元模型施加真实的动力风荷载，使用时程分析方法获得整个结构各个时刻真实的全场应力分布；
(5)利用数值计算获得的结构全场应力分布，采用Ditlevsen窄界限理论计算结构的风致动力可靠度，对强风环境下输电塔结构的安全性进行实时评估。
2.根据权利要求1所述的基于风速和动响应测试的输电塔结构风致安全性评估方法，其特征在于：所述步骤(1)中实测方法为：在塔体不同高度安装的风速仪和加速度传感器，同步获取输电塔的真实风场信息以及结构风致加速度响应。
3.根据权利要求1所述的基于风速和动响应测试的输电塔结构风致安全性评估方法，其特征在于：所述步骤(4)中全场应力分布的获得方法：对包含有损伤的高保真有限元模型施加真实的动力风荷载，使用时程分析方法获得整个结构各个时刻真实的全场应力分布。
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Citations (2)
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| CN110298101A (zh) * | 2019-06-24 | 2019-10-01 | 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院 | 一种耦合局地风场的输电线路风致响应有限元分析方法 |
Non-Patent Citations (2)
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| 基于疲劳累积损伤的输电塔结构剩余寿命估算;瞿伟廉;王锦文;谭亚伟;汪震;;武汉理工大学学报;20070125(01);全文 * |
| 输电塔风致响应数值模拟研究进展;吕洪坤;刘孟龙;池伟;汪明军;罗坤;应明良;樊建人;;钢结构(中英文);20200422(04);全文 * |
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