CN113836625A - 一种基于能力谱法的输电塔抗震性能等级划分方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种基于能力谱法的输电塔抗震性能等级划分方法及系统，获取输电塔的初始状态数据；根据初始状态数据进行输电塔的建模，根据建模结果进行模态分析；根据模态分析结果选择侧向力分布模式和顶点的目标位移，进行静力弹塑性分析，得到输电塔的能力曲线；根据输电塔结果的能力曲线得到能力谱曲线，结合能力谱曲线与需求谱曲线得到性能点，根据性能点得到输电塔结构在地震作用下的最大塔顶位移；根据最大塔顶位移，得到输电塔抗震性能等级；本发明根据输电塔结构控制指标与抗震性能等级之间的对应关系，通过塔顶位移直观地反映输电塔的损伤情况，建立了量化评价模型，从而实现了对输电塔抗震性能等级的合理和准确评估。
Description
技术领域
本公开涉及输电塔抗震等级评价技术领域，特别涉及一种基于能力谱法的输电塔抗震性能等级划分方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
随着基于性能的抗震设计理论发展，结构抗震性能等级划分受到广泛关注。能力谱法是一种解决结构非线性动力问题的简化方法，其将结构的静力弹塑性分析与地震反应谱相结合，可对结构屈服机制、薄弱环节及抗震性能进行分析，并可得到结构在竖向和侧向荷载作用下的荷载-位移关系，从而反映结构在荷载作用下从弹性进入塑性直至倒塌的能力曲线，结合结构的抗震性能对各抗震性能等级进行量化，以反映结构在地震作用下的工作性能。目前，该方法在建筑领域得到一定工程应用。
输电线路是电力输送的载体，是重要的生命线工程，输电线路一旦发生破坏，不但会造成巨大的经济损失，还会造成一定的社会影响。在历次大地震中，均有输电线路发生不同程度破坏的现象，输电塔倾斜或倒塌、断线、基础沉陷和绝缘子破坏是主要的破坏形式，对于输电塔这种结构而言，进行弹塑性时程分析计算量大，无法实现输电塔抗震性能等级的高效和准确等级评估。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种基于能力谱法的输电塔抗震性能等级划分方法及系统，提高了输电塔抗震性能等级划分的效率和准确度。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
本发明第一方面提供了一种基于能力谱法的输电塔抗震性能等级划分方法。
一种基于能力谱法的输电塔抗震性能等级划分方法，包括以下过程：
获取输电塔的初始状态数据；
根据初始状态数据进行输电塔的建模，根据建模结果进行模态分析；
根据模态分析结果选择侧向力分布模式和顶点的目标位移，进行静力弹塑性分析，得到输电塔的能力曲线；
根据输电塔结果的能力曲线得到能力谱曲线，结合能力谱曲线与需求谱曲线得到性能点，根据性能点得到输电塔结构在地震作用下的最大塔顶位移；
根据最大塔顶位移，得到输电塔抗震性能等级。
进一步的，根据能力谱曲线确定的各极限状态最大塔顶位位移，将输电塔结构震害损伤划分为五个等级，分别为：基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和接近坍塌。
更进一步的，输电塔结构极限状态包括：轻微破坏、中等破坏、严重破坏和完全破坏，轻微破坏为三倍的塔全高与1000的比值，严重破坏为能力曲线线性阶段最大塔顶位移，中等破坏为严重破坏的70％，完全破坏为第一个切线斜率小于1/5初始斜率的点对应的塔顶位移。
进一步的，对输电塔的建模结果施加竖向荷载后，对输电塔结构进行模态分析。
进一步的，根据能力谱曲线和需求谱曲线在同一坐标系中的交点，确定性能点，根据性能点，结合谱位移和最大塔顶位移的关系，得到输电塔结构在地震作用下的最大塔顶位移。
进一步的，将地震加速度反应谱或标准的加速度反应谱转为ADRS格式，得到需求谱曲线。
进一步的，侧向力分布模式包括均匀分布、倒三角形分布、SRSS分布和指数分布模式中的至少两种。
本发明第二方面提供了一种基于能力谱法的输电塔抗震性能等级划分系统。
一种基于能力谱法的输电塔抗震性能等级划分系统，包括：
数据获取模块，被配置为：获取输电塔的初始状态数据；
模态分析模块，被配置为：根据初始状态数据进行输电塔的建模，根据建模结果进行模态分析；
能力曲线获取模块，被配置为：根据模态分析结果选择侧向力分布模式和顶点的目标位移，进行静力弹塑性分析，得到输电塔的能力曲线；
最大塔顶位移获取模块，被配置为：根据输电塔结果的能力曲线得到能力谱曲线，结合能力谱曲线与需求谱曲线得到性能点，根据性能点得到输电塔结构在地震作用下的最大塔顶位移；
抗震等级划分模块，被配置为：根据最大塔顶位移，得到输电塔抗震性能等级。
本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的基于能力谱法的输电塔抗震性能等级划分方法中的步骤。
本发明第四方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的基于能力谱法的输电塔抗震性能等级划分方法中的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
1、本发明所述的方法、系统、介质及电子设备，基于能力谱方法对输电塔结构进行抗震性能分析时，可根据输电塔结构在地震作用下损伤状态，建立输电塔结构的抗震性能等级量化模型；同时绘制输电塔结构的能力谱曲线和需求谱曲线，将能力谱曲线和需求谱曲线绘于同一坐标系，确定结构性能点，结合谱位移和最大位移的关系，确定结构在地震作用下的最大位移，并根据量化模型评估输电塔的抗震性能等级，提高了输电塔抗震性能等级划分的效率和准确度。
2、本发明所述的方法、系统、介质及电子设备，基于能力谱方法，根据输电塔结构控制指标与抗震性能等级之间的对应关系，通过塔顶位移直观地反映输电塔的损伤情况，建立了量化评价模型，从而实现了对输电塔抗震性能等级的合理和准确评估，不需对输电塔进行复杂耗时的动力时程分析，节省了大量计算量，便于工程师掌握。
本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的基于能力谱法的输电塔抗震性能等级划分方法的步骤流程图。
图2为本发明实施例1提供的输电塔模型图及其质点简化模型图。
图3为本发明实施例1提供的输电塔能力曲线图。
图4为本发明实施例1提供的标准反应谱图与其ADRS格式转换图。
图5为本发明实施例1提供的能力法所得输电塔能力谱、需求谱曲线及结构性能点示意图。
图6为本发明实施例1提供的能力谱法量化评价模型图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
如图1所示，本公开实施例1提供了一种基于能力谱法的输电塔抗震性能等级评估方法，具体技术方案如下：
步骤一：选用8度设防的220kV高压输电塔，如图2所示，利用ABAQUS有限元软件建立输电塔的三维有限元模型，对输电塔模型施加竖向重力荷载，进行模态分析，分析结果如表1所示。
表1：输电塔的模态
步骤二：基于步骤一分析的结果，考虑输电塔的自身特性与抗震分析的计算效率，于输电塔两处横隔面、三处横担及塔顶6处位置简化质点，形成质点简化模型，如图2所示。
步骤三：分别选取均匀分布、倒三角分布、SRSS分布三种侧向力分布模式加载，施加在质点简化模型上，对输电塔结构进行Pushover分析。
选取均匀分布侧向力分布时，输电塔简化模型各层水平荷载与该层重力荷载代表值成正比，其第i层的水平加载系数δi可由
得到，式中，Gi为结构第i层的重力荷载代表值；N为结构总层数。
选取倒三角形侧向力分布时，结构在第i层的水平加载系数δi可由
得到，Hi为结构第i层距地面的高度。
选取SRSS侧向力分布时，结构在第i层的水平加载系数δi可由
Fi＝Vi-Vi+1以及δi＝Fi/Vi联立方程得到，aj为j周期对应的地震影响系数；Xmj为j振型m层的水平相对位移；gj为j振型参与系数；n为考虑的振型个数；Vi和Fi分别为i层输电塔的地震剪力和地震作用力。
步骤四：基于步骤三的Pushover分析结果，分别得到不同侧向荷载分布模式下结构极限状态的量化值，取三者平均值作为最终取值，如图3所示，其中，塔顶位移为X轴，基底剪力为Y轴，小于或等于LS1区间为输电塔基本完好阶段，(LS1，LS2]为输电塔轻微破坏阶段，(LS2，LS3]为输电塔中等破坏阶段，(LS3，LS4]为输电塔严重破坏阶段，大于或等于LS4为输电塔接近坍塌阶段。
步骤五：基于步骤四所得到的能力曲线，通过转换公式
得到能力谱，其中，G1、M1为结构第一振型参与系数、有效质量；Vb、Un为基底剪力、顶点位移。
G1、M1由公式
得到，mi为第i层质点的质量，fi1为第一振型下第i层质点的振幅；n为楼层数；
通过转换公式为
将地震加速度反应谱或标准的加速度反应谱(谱加速度Sa-周期T曲线)转为ADRS格式，得到输电塔结构的需求谱曲线(谱加速度Sa-谱位移Sd曲线)，如图4所示，其中在周期Ti处的谱加速度和谱位移关系为
步骤六：将能力谱与需求谱绘于同一坐标轴，能力谱曲线与需求谱曲线交点即为结构在不同水准地震作用下的性能点，分别得到各水准下性能点，如图5所示。根据谱位移和最大塔顶位移的关系，可得此实例各水准地震作用下的最大塔顶位移，如表2所示。
表2：能力谱法各水准震害等级
| 地震水准 | PGA/g | 谱位移(m) | 最大塔顶位移(m) | 震害等级 |
| 多遇地震 | 0.07 | 0.046 | 0.056 | 基本完好 |
| 设防地震 | 0.20 | 0.094 | 0.115 | 基本完好 |
| 罕遇地震 | 0.40 | 0.185 | 0.226 | 轻微破坏 |
步骤七：根据步骤三的抗震性能等级量化评价模型进行评估，判断输电塔结构各水准地震作用下的震害等级及是否满足使用要求，其中评价模型中四个输电塔结构极限状态轻微破坏极限状态LS1取3h/1000，严重破坏极限状态LS3为能力曲线线性阶段最大塔顶位移，中等破坏极限状态LS2取LS3的70％，完全破坏极限状态LS4为第一个切线斜率小于1/5初始斜率的点对应的塔顶位移，如图6所示。结果显示，输电塔结构在8度多遇和设防地震作用下基本完好，在罕遇地震作用下轻微破坏，具有良好的抗震性能，如表2所示。
同时，本实例可通过增量动力时程分析(IDA分析)对输电塔进行分析，验证上述分析方法的可靠性。依据地震设计反应谱，选取与设计反应谱特征相近的SUPERST、KOCAELI、DUZCE三条地震动记录，编号为REC-1、REC-2、REC-3，采用此三条地震波对输电塔结构模型进行IDA分析，得到三条地震波不同水准地震作用下输电塔结构的最大塔顶位移，不同地震作用下的平均值作为标准对能力谱方法的结果进行评价，计算结果如表3所示。
表3：IDA分析各水准最大塔顶平均位移。
对比IDA分析和能力谱方法结果可以得到以下结论：
(1)采用能力谱方法计算得到的输电塔响应偏大，误差均在15％以内，满足工程需求。因此，本发明提出的一种基于能力谱法的输电塔抗震性能等级划分方法是有效的；
(2)随着地震动峰值加速度的增加，能力谱方法的计算结果相对误差逐渐增大。在多遇地震和设防地震作用下，误差均在10％以内，精度较高。该方法用于实际工程时，优先用于计算输电塔在多遇地震和设防地震作用下的响应。
(3)提出的基于能力谱法的输电塔抗震性能等级划分方法是偏于安全的，当采用该方法进行抗震验算，结果为安全时，可不再进行弹塑性动力时程分析进行复验。
实施例2：
本发明实施例2提供了一种基于能力谱法的输电塔抗震性能等级划分系统，包括：
数据获取模块，被配置为：获取输电塔的初始状态数据；
模态分析模块，被配置为：根据初始状态数据进行输电塔的建模，根据建模结果进行模态分析；
能力曲线获取模块，被配置为：根据模态分析结果选择侧向力分布模式和顶点的目标位移，进行静力弹塑性分析，得到输电塔的能力曲线；
最大塔顶位移获取模块，被配置为：根据输电塔结果的能力曲线得到能力谱曲线，结合能力谱曲线与需求谱曲线得到性能点，根据性能点得到输电塔结构在地震作用下的最大塔顶位移；
抗震等级划分模块，被配置为：根据最大塔顶位移，得到输电塔抗震性能等级。
所述系统的工作方法与实施例1提供的基于能力谱法的输电塔抗震性能等级划分方法相同，这里不再赘述。
实施例3：
本发明实施例3提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明实施例1所述的基于能力谱法的输电塔抗震性能等级划分方法中的步骤。
实施例4：
本发明实施例4提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明实施例1所述的基于能力谱法的输电塔抗震性能等级划分方法中的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于能力谱法的输电塔抗震性能等级划分方法，其特征在于：
包括以下过程：
获取输电塔的初始状态数据；
根据初始状态数据进行输电塔的建模，根据建模结果进行模态分析；
根据模态分析结果选择侧向力分布模式和顶点的目标位移，进行静力弹塑性分析，得到输电塔的能力曲线；
根据输电塔结果的能力曲线得到能力谱曲线，结合能力谱曲线与需求谱曲线得到性能点，根据性能点得到输电塔结构在地震作用下的最大塔顶位移；
根据最大塔顶位移，得到输电塔抗震性能等级。
2.如权利要求1所述的基于能力谱法的输电塔抗震性能等级划分方法，其特征在于：
根据能力谱曲线确定的各极限状态最大塔顶位位移，将输电塔结构震害损伤划分为五个等级，分别为：基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和接近坍塌。
3.如权利要求2所述的基于能力谱法的输电塔抗震性能等级划分方法，其特征在于：
输电塔结构极限状态包括：轻微破坏、中等破坏、严重破坏和完全破坏，轻微破坏为三倍的塔全高与1000的比值，严重破坏为能力曲线线性阶段最大塔顶位移，中等破坏为严重破坏的70％，完全破坏为第一个切线斜率小于1/5初始斜率的点对应的塔顶位移。
4.如权利要求1所述的基于能力谱法的输电塔抗震性能等级划分方法，其特征在于：
对输电塔的建模结果施加竖向荷载后，对输电塔结构进行模态分析。
5.如权利要求1所述的基于能力谱法的输电塔抗震性能等级划分方法，其特征在于：
根据能力谱曲线和需求谱曲线在同一坐标系中的交点，确定性能点，根据性能点，结合谱位移和最大塔顶位移的关系，得到输电塔结构在地震作用下的最大塔顶位移。
6.如权利要求1所述的基于能力谱法的输电塔抗震性能等级划分方法，其特征在于：
将地震加速度反应谱或标准的加速度反应谱转为ADRS格式，得到需求谱曲线。
7.如权利要求1所述的基于能力谱法的输电塔抗震性能等级划分方法，其特征在于：
侧向力分布模式包括均匀分布、倒三角形分布、SRSS分布和指数分布模式中的至少两种。
8.一种基于能力谱法的输电塔抗震性能等级划分系统，其特征在于：
包括：
数据获取模块，被配置为：获取输电塔的初始状态数据；
模态分析模块，被配置为：根据初始状态数据进行输电塔的建模，根据建模结果进行模态分析；
能力曲线获取模块，被配置为：根据模态分析结果选择侧向力分布模式和顶点的目标位移，进行静力弹塑性分析，得到输电塔的能力曲线；
最大塔顶位移获取模块，被配置为：根据输电塔结果的能力曲线得到能力谱曲线，结合能力谱曲线与需求谱曲线得到性能点，根据性能点得到输电塔结构在地震作用下的最大塔顶位移；
抗震等级划分模块，被配置为：根据最大塔顶位移，得到输电塔抗震性能等级。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的基于能力谱法的输电塔抗震性能等级划分方法中的步骤。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7任一项所述的基于能力谱法的输电塔抗震性能等级划分方法中的步骤。
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