CN116011285B - 一种地基-基础-杆塔结构体系抗震性能分析方法 - Google Patents

Abstract

一种地基‑基础‑杆塔结构体系抗震性能分析方法，以地基、杆塔基础、杆塔结构作为一个分析对象，构建地基‑基础‑杆塔结构体系的有限元模型，向该有限元模型中输入地震波，计算地基‑基础‑杆塔结构体系的吸能系数。本设计根据吸能系数对整个地基‑基础‑杆塔结构体系的抗震性能进行评价，综合考虑了地基、杆塔基础、杆塔结构这三方面对杆塔结构抗震性能的影响，能够更真实、准确的反应地震作用下杆塔结构的动力响应情况。

Description

一种地基-基础-杆塔结构体系抗震性能分析方法

技术领域

本发明属于输电杆塔结构体系抗震性能分析技术领域，具体涉及一种地基-基础-杆塔结构体系抗震性能分析方法。

背景技术

高压输电线路作为国家的重要基础设施，其是否能安全、稳定的运行，关系到国家经济和人民生活，而地震作用对高压输电线路安全、稳定的影响显得尤为突显，我国地震活动频度较大，分布面积较广，一旦高压输电线路发生故障将会造成巨大的经济损失。

在地震作用下，输电杆塔的破坏形式不仅仅局限于结构层面，还有杆塔基础和地基层面，例如杆塔基础倾角过大或者地基发生不均匀沉降从而导致杆塔倾倒等等，故而近年来逐渐考虑基础形式和改良地基对杆塔结构抗震性能的影响，例如采用抗震性能较好的基础形式、向地基加入橡胶颗粒和生物固化液来改良地基等等。但传统的关于杆塔抗震性能分析仅在结构层面分析，即建立杆塔-输电线耦合模型，对模型施加地震荷载，进行易损性分析，进而得出杆塔结构的抗震性能，没有考虑到实际工程情况中，往往还需要对地基、杆塔基础的抗震性能进行分析，不能从整个体系上反应地震作用的影响。因此，存在不能从由地基、杆塔基础、杆塔结构组成的体系整体出发，反映整个体系抗震性能的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的上述问题，提供一种以整个体系作为分析对象，更真实、准确反映整个体系抗震性能的地基-基础-杆塔结构体系抗震性能分析方法。

为实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：

一种地基-基础-杆塔结构体系抗震性能分析方法，所述分析方法依次按照以下步骤进行：

S1、以地基、杆塔基础、杆塔结构作为一个分析对象，构建地基-基础-杆塔结构体系的有限元模型；

S2、向由步骤S1得到的有限元模型中输入地震波，计算地基-基础-杆塔结构体系的吸能系数K，根据吸能系数K对地基-基础-杆塔结构体系的抗震性能进行评价，其中，所述吸能系数K根据以下公式计算得到：

K＝α(k₁ξ₁+k₂ξ₂+k₃ξ₃)

上式中，α为安全系数，ξ₁为杆塔顶部在地震中最大位移响应值与设定临界值之比，ξ₂取杆塔基础在地震中最大拉应力与材料抗拉强度之比、杆塔基础在地震中最大拉应力与材料抗压强度之比的较大值，ξ₃为杆塔基础在地震中最大倾斜度与设定临界值之比，k₁、k₂、k₃分别为杆塔结构、杆塔基础、地基的吸能系数，E_k1、E_k2、E_k3、E_k分别为杆塔结构、杆塔基础、地基、整个体系的动能，E_s1、E_s2、E_s3、E_s分别为杆塔结构、杆塔基础、地基、整个体系的应变能；E_c1、E_c2、E_c3、E_c分别为杆塔结构、杆塔基础、地基、整个体系的阻尼耗散能。

步骤S2中，所述根据吸能系数K对地基-基础-杆塔结构体系的抗震性能进行评价具体为：若吸能系数K小于1，则判定地基-基础-杆塔结构体系的抗震性能满足需求。

步骤S2中，所述杆塔基础在地震中最大倾斜度为：杆塔基础沿其倾斜方向上的最高点至最低点的最大沉降差与最高点至最低点的距离之比。

所述步骤S1具体为：在ABAQUS数值分析软件中先分别建立地基、杆塔基础、杆塔结构的有限元模型，并设置好对应的材料属性参数和截面形式，然后将地基、杆塔基础、杆塔结构的有限元模型装配在一起，形成地基-基础-杆塔结构体系的有限元模型。

所述杆塔结构与杆塔基础采用刚性连接，所述杆塔基础侧面与地基的接触面在法向行为采用接触压力-过盈模型，杆塔基础端面与地基的接触面在切向行为采用摩擦模型。

通过对地基进行密度试验、静三轴试验和动三轴试验以确定地基的材料属性参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明一种地基-基础-杆塔结构体系抗震性能分析方法，以地基、杆塔基础、杆塔结构作为一个分析对象，构建地基-基础-杆塔结构体系的有限元模型，向该有限元模型中输入地震波，计算地基-基础-杆塔结构体系的吸能系数K，该设计根据吸能系数K对整个地基-基础-杆塔结构体系的抗震性能进行评价，综合考虑了地基、杆塔基础、杆塔结构这三方面对杆塔结构抗震性能的影响，能够更真实、准确的反应地震作用下杆塔结构的动力响应情况。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为实施例中构建的以改良地基土与原状地基土的组合作为地基的地基-基础-杆塔结构体系的有限元模型。

图3为实施例中所输入的地震波。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

参见图1，以某地90米高的直线型输电杆塔作为分析对象，该直线型输电杆塔的杆塔基础采用桩基础，桩基的间距为16m，桩基的埋深为10m，桩基的材料采用C40混凝土，采用本发明所述的一种地基-基础-杆塔结构体系抗震性能分析方法分别对以仅原状地基土作为地基(原状地基土尺寸为杆塔基础尺寸的4倍)、以改良地基土与原状地基土的组合作为地基(原状地基土尺寸为杆塔基础尺寸的4倍，改良地基土体积为原状地基土体积的0.15倍，改良地基土为采用橡胶颗粒和生物固化液进行改良)的直线型输电杆塔进行抗震性能评估，所述分析方法依次按照以下步骤进行：

S1、进行密度试验、静三轴试验和动三轴试验以确定原状地基土、改良地基土的材料属性参数，其中，所述密度试验、静三轴试验和动三轴试验的操作方法均参照《土工试验方法标准》进行，密度试验采用环刀法，需要测定的对象为地基的密度，静三轴试验和动三轴试验均采用固结不排水试验，静三轴试验需要测定的对象为地基的粘聚力和内摩擦角，经测定，所述原状地基土的粘聚力为27Kpa、内摩擦角为23°，所述改良地基土的粘聚力为34.8KPa，内摩擦角为24°，所述动三轴试验需要测定的对象为动剪切模量比与动剪应变的关系和阻尼比与动剪应变的关系；

S2、在ABAQUS数值分析软件中分别建立地基、杆塔基础、杆塔结构的有限元模型，并设置好对应的材料属性参数和杆塔结构的截面形式，所述有限元模型采用摩尔-库伦本构模型，所述杆塔结构主材及塔头下屈臂部分主材采用Q420等边角钢，其余部分采用Q235钢材，杆塔结构材料的主材和斜材采用梁单元，辅材使用桁架单元，材料阻尼采用瑞利阻尼，所述杆塔基础采用C40混凝土，所述改良地基的材料属性参数来源于步骤S1的实验结果，各组成的材料属性参数如表1所示：

表1杆塔体系材料参数

S3、将地基、杆塔基础、杆塔结构的有限元模型装配在一起，并设置好地应力平衡和地震反应分析步，所述地震反应分析步中添加有地基、杆塔基础、杆塔结构的各自历程输出，所述杆塔结构与杆塔基础采用刚性连接，所述杆塔基础侧面与地基的接触面在法向行为采用接触压力-过盈模型，杆塔基础端面与地基的接触面在切向行为采用摩擦模型，最终形成地基-基础-杆塔结构体系的有限元模型，以改良地基土与原状地基土的组合作为地基的地基-基础-杆塔结构体系的有限元模型如图2所示；

S4、将地基-基础-杆塔结构体系的有限元模型中的荷载设为重力荷载，地基侧面采用粘弹性人工边界，往地基地面施加除地震波作用方向的其余方向约束，在地基地面施加地震加速度作为约束条件，该地震波峰值为八级抗震设防烈度0.2g，该地震加速度时程如图3所示；

S5、对地基-基础-杆塔结构体系的有限元模型进行网格划分，所述地基采用C3D8R单元，所述杆塔基础采用C3D8单元，所述杆塔结构主材和斜材采用B31单元，辅材采用T3D2单元，之后提交计算，在ABAQUS数值分析软件的可视化模块中创建ODB场变量输出，提取杆塔顶部在地震中最大位移响应值、杆塔基础在地震中最大拉应力、杆塔基础最大沉降差，如表2所示，以及杆塔的动能、应变能、阻尼耗散能，杆塔基础的动能、应变能、阻尼耗散能，地基的动能、应变能、阻尼耗散能，如表3所示；

表2最大位移响应值、最大拉应力、最大沉降差

表3杆塔结构、杆塔基础、地基的动能、应变能、阻尼耗散能

S6、根据以下公式计算得到吸能系数K，根据吸能系数K对地基-基础-杆塔结构体系的抗震性能进行评价：

K＝α(k₁ξ₁+k₂ξ₂+k₃ξ₃)

上式中，α为安全系数，ξ₁为杆塔顶部在地震中最大位移响应值与设定临界值之比，设定的位移响应临界值为0.45m，ξ₂取杆塔基础在地震中最大拉应力与材料抗拉强度之比、杆塔基础在地震中最大压应力与材料抗压强度之比的较大值，由于杆塔基础主要受到上拔作用，且混凝土杆塔基础的抗压强度非常大，本实施例中ξ₂为杆塔基础在地震中最大拉应力与材料抗拉强度之比，杆塔基础材料抗压强度为2.39Mpa，ξ₃为杆塔基础在地震中最大倾斜度与设定临界值之比，设定的倾斜度临界值为0.08m，所述杆塔基础在地震中最大倾斜度为杆塔基础沿其倾斜方向上的最高点至最低点的最大沉降差与最高点至最低点的距离之比，E_k1为杆塔结构的动能，E_k2为杆塔基础的动能，E_k3为地基的动能，E_k为整个体系的动能，E_s1为杆塔结构的应变能，E_s2为杆塔基础的应变能，E_s3为地基的应变能，E_s为整个体系的应变能，E_c1为杆塔结构的阻尼耗散能，E_c2为杆塔基础的阻尼耗散能，E_c3为地基的阻尼耗散能，E_c为整个体系的阻尼耗散能；

经过计算得到，仅原状地基土作为地基的杆塔体系的k₁、k₂、k₃、K分别为0.0474、0.3781、0.5745、0.7386，以改良地基土与原状地基土的组合作为地基的杆塔体系的k₁、k₂、k₃、K分别为0.0355、0.3442、0.6303、0.6495，由于地基改良前后的杆塔体系吸能系数K均小于1，表示地基改良前后的杆塔体系在地震作用下均能处于稳定状态，且地基改良后的杆塔体系吸能系数K小于地基改良前的杆塔体系吸能系数K，表示地基改良后的杆塔体系的抗震性能更好，通过添加橡胶颗粒和生物固化液对地基进行改良确实能提高杆塔体系的抗震性能。

Claims (3)

1.一种地基-基础-杆塔结构体系抗震性能分析方法，其特征在于：

所述分析方法依次按照以下步骤进行：

S1、以地基、杆塔基础、杆塔结构作为一个分析对象，构建地基-基础-杆塔结构体系的有限元模型；

所述步骤S1具体为：在ABAQUS数值分析软件中先分别建立地基、杆塔基础、杆塔结构的有限元模型，并设置好对应的材料属性参数和截面形式，然后将地基、杆塔基础、杆塔结构的有限元模型装配在一起，形成地基-基础-杆塔结构体系的有限元模型；

所述杆塔结构与杆塔基础采用刚性连接，所述杆塔基础侧面与地基的接触面在法向行为采用接触压力-过盈模型，杆塔基础端面与地基的接触面在切向行为采用摩擦模型；

通过对地基进行密度试验、静三轴试验和动三轴试验以确定地基的材料属性参数；

S2、向由步骤S1得到的有限元模型中输入地震波，计算地基-基础-杆塔结构体系的吸能系数K，根据吸能系数K对地基-基础-杆塔结构体系的抗震性能进行评价，其中，所述吸能系数K根据以下公式计算得到：

K＝α(k₁ξ₁+k₂ξ₂+k₃ξ₃)

上式中，α为安全系数，ξ₁为杆塔顶部在地震中最大位移响应值与设定临界值之比，ξ₂取杆塔基础在地震中最大拉应力与材料抗拉强度之比、杆塔基础在地震中最大压应力与材料抗压强度之比的较大值，ξ₃为杆塔基础在地震中最大倾斜度与设定临界值之比，k₁、k₂、k₃分别为杆塔结构、杆塔基础、地基的吸能系数，E_k1、E_k2、E_k3、E_k分别为杆塔结构、杆塔基础、地基、整个体系的动能，E_s1、E_s2、E_s3、E_s分别为杆塔结构、杆塔基础、地基、整个体系的应变能；E_c1、E_c2、E_c3、E_c分别为杆塔结构、杆塔基础、地基、整个体系的阻尼耗散能。

2.根据权利要求1所述的一种地基-基础-杆塔结构体系抗震性能分析方法，其特征在于：

步骤S2中，所述根据吸能系数K对地基-基础-杆塔结构体系的抗震性能进行评价具体为：若吸能系数K小于1，则判定地基-基础-杆塔结构体系的抗震性能满足需求。

3.根据权利要求1或2所述的一种地基-基础-杆塔结构体系抗震性能分析方法，其特征在于：

步骤S2中，所述杆塔基础在地震中最大倾斜度为：杆塔基础沿其倾斜方向上的最高点至最低点的最大沉降差与最高点至最低点的距离之比。