考慮損傷的輸電塔下擊暴流作用下的結構安全評定模型

蔣 華，孫登坤，吉柏鋒

(1.華中科技大學城市建設學院，武漢 430064;2.武漢和創建筑工程設計有限公司，武漢 430071;3.武漢理工大學，武漢 430070)

輸電塔是供電系統的重要組成部分，其安全性關系著國家的經濟發展與百姓生活。但因其具有結構高聳、剛度和阻尼小等特點，在風載荷下易產生大的變形與位移，甚至倒塌。下擊暴流是風載荷的一種。云下氣體因急速流動而發展成很強的下沉氣流，該氣流向下強烈沖擊地面后沿地面迅速散開，進而形成的強風暴稱為下擊暴流。該風載荷強度大、波及范圍大［1－2］，對輸電塔造成的倒塌破壞事故在國內外時有發生［3－6］，故建立合理的結構模型，對在役輸電塔的安全性進行評定非常有必要。

1 考慮損傷的輸電塔結構整體有限元分析模型

1.1 具有螺栓法蘭節點的完好輸電塔結構整體有限元分析模型

輸電塔結構是較復雜的塔線藕聯體系，為精確表現輸電塔的實際狀態，可建立輸電塔－導線的整體模型。但研究發現:輸電線的幾何非線性特征對輸電塔塔身的響應影響很小，可以忽略［7］。因此，在對輸電塔整體建模時可忽略輸電線對塔的影響，從而簡化計算。

本文所建模型依據湘江輸電塔(所有的桿件均為“L”型鋼)的實體(圖1)，在此基礎上為引入法蘭節點，將模型的主桿件改為圓鋼管，鋼管屈服強度為345 N/mm2。塔腿的第1～6層主桿件的管外徑為0.15 m，內徑為0.11 m;塔腿的第7～11層主桿件的管外徑為0.15 m，內徑為0.13 m。根據規范要求［8］，螺栓法蘭節點處采用8.8級M30高強度螺栓，屈服強度為940 N/mm2，設計預拉力為250 kN。實際帶有加勁肋螺栓法蘭節點的管件如圖1所示。為了方便建立模型，將帶有加勁肋螺栓法蘭節點處視為一段與主桿件材質一樣的圓管，簡化之后的模型如圖2所示。

圖1 實體有限元

圖2 加勁肋螺栓法蘭節點的圓管簡化模型

高聳塔架、網架等結構通常是三維空間的桿系結構，結構桿件的相互連接并不像理論簡化模型那樣只承受軸向力的作用，所以本文在采用ANSYS進行有限元建模時，各桿件為空間梁單元——Beam44單元，彈性模量取 2.06×1011Pa，泊松比取0.3，容重為 7.85 ×103kg/m3。所建的輸電塔整體結構模型如圖3所示。模型塔身部分被分成12個節點層和11層塔腿，其標示見圖4。

圖3 輸電塔整體結構有限元分析模型

圖4 輸電塔結構分層

1.2 考慮損傷的輸電塔結構整體有限元分析模型

損傷力學中常以材料彈性模量的前后變化來表示桿件的損傷［9－10］。為便于結構安全評定，本文通過調整完好模型的相關參數來考慮構件損傷，進而得出考慮損傷時的輸電塔模型。這樣既能對完好和損傷后的結構響應進行比較，又能通過反求解問題改變結構固有參數，實現對結構損傷的位置和損傷程度的評定。已有的文獻資料表明:調整結構構件截面尺寸和結構剛度是比較直接的方法。

1.2.1 考慮法蘭節點螺栓脫落損傷的有限單元描述

為了保證模型的精確性，等效之后的簡化模型與實際的帶有法蘭節點的模型要確保整體剛度矩陣項的誤差最小。其中，法蘭節點處螺栓脫落可等效為該段圓管截面剛度的折減。通過共軛梯度法就可以建立一個最優的與實際模型等效的簡化模型，目標函數如下:

其中:E={Etiao1，Etiao2，…，Etiaon}為 n 個構件的調整向量，n為參數需要調整的個數;KXij為輸電塔整體有限元模型損傷前后的剛度矩陣項;KJij為簡化后的有限元模型剛度矩陣項;m為剛度矩陣項的個數，對于中心對稱損傷結構，m取6，對于非中心對稱損傷結構，m取10;αij為剛度矩陣中各項所對應的加權系數，考慮到剛度矩陣中扭矩項及偶合項的影響較小，同時為了優化等效分析的精度，對該項取0.5，其他項取1。

因此，根據文獻［11］可以確定輸電塔螺栓脫落損傷的調整參數為彈性模量E?？赏ㄟ^彈性模量E的折減量來反映損傷的程度，其折減即螺栓法蘭節點處損傷的程度系數表達式為

式中:Eu為簡化后的輸電塔整體結構完好狀態下的彈性模量;Ed為簡化后輸電塔整體結構法蘭節點處螺栓脫落損傷后的彈性模量。秦文科等［7］選取了幾組比較常見的螺栓脫落損傷狀態進行試驗研究，并進行了優化等效分析，得到的等效后損傷程度系數η如表1所示。

表1 損傷程度系數

在本文所建立的輸電塔結構以及輸電塔實體有限元模型中，輸電塔法蘭節點全部位于輸電塔結構的塔身主桿上。輸電塔結構的塔身主桿截面參數見表2。

表2 輸電塔結構縱向主桿結構參數

結合表1與式(2)即可求出桿件失穩損傷后的彈性模量。

1.2.2 考慮桿件疲勞斷裂損傷的有限單元描述

桿件斷裂在輸電塔的服役過程中是不可避免的。桿件斷裂的位置或個數的不同都會對結構造成不同的破壞，故在設計輸電塔時應考慮桿件可能出現的斷裂區域和數量。桿件斷裂表明其抗彎剛度降至0，并已失去承載能力。但在ANSYS結構分析時不能直接輸入E為0，故將其設定為某一接近0的小值。

1.2.3 考慮桿件受壓失穩損傷的有限單元描述

可在確定其受壓腹桿損傷位置之后，采用神經網絡方法對輸電塔桿件受壓失穩損傷進行評估?？紤]到結構的固有頻率比較容易測量且精準度較高，本文選取的用于損傷程度診斷的神經網絡輸入特征參數是與損傷位置和程度都相關的固有頻率平方改變率，即

模型建立后，可利用該模型模擬計算不同損傷程度下結構的前幾階固有頻率;確定網絡輸入為前幾階固有頻率平方改變率，網絡輸出為對應的腹桿損傷程度的訓練樣本，對它們進行歸一化處理后，輸入神經網絡中;將實測得到的損傷結構前幾階固有頻率平方改變率輸入訓練好的神經網絡來診斷腹桿的實際損傷程度;最后根據式(2)即可求出桿件失穩損傷后的彈性模量。

2 下擊暴流的數值模擬

下擊暴流(downburst)的概念是由T.T.藤田(T.T.Fujita)等提出的，它是一種以中空氣流垂直向下撞擊地面輻散開后的災害性強風［1］，其水平風速大于18 m/s。

2.1 下擊暴流的特征

根據瞿偉廉、吉柏鋒等［12］的數值模擬及其他方面的研究，下擊暴流較為典型的特征可總結為:①尺度特征。下擊暴流是由距離地面高度H=2100～4100 m的冷空氣團沖擊地面形成的。②速度特征。下擊暴流最大風速值出現的高度很低，平均而言，對應于初始出流直徑D=1800 m的下擊暴流風，其風速最大值的出現在距離下沉氣流沖擊地面點水平距離r=1500 m，高度H=80 m的位置。③隨機特征。④氣壓特征。Fujita推出其壓力變化可達2～3 kPa。

2.2 下擊暴流風載荷

下擊暴流作為一種災害性的強風，對其進行模擬［12－16］時，既要得到下擊暴流的風剖面或者風速變化規律，也要注重研究其風場隨時間變化的規律。

按照大氣邊界層風，將下擊暴流風風速表達為平均成分與脈動成分的和:

對于下擊暴流風載荷的研究，國內外學者分別從豎直和水平2個方向得出了不同下擊暴流的風剖面。本文選用Vicroy的模型:

式中:Vmax為下擊暴流的最大水平風速;Zmax為最大水平風速的產生高度。根據資料Vmax=80 m/s，Zmax=70 m，代入式(5)后可求出任意高度處的風速。

邊界層近地風的風載荷在規范中已有具體的公式表達［17］:

式中各參數詳見文獻［17－18］。

對于下擊暴流對輸電塔的作用，本文只考慮最大下擊暴流風速時刻，故也可以采用與邊界層近地風一樣的表達式。βz，Αf，μz，μs等參數也與邊界層近地風取值一樣，不同之處在于W0為下擊暴流的風壓，可由式(5)求出對應于下擊暴流風速最大時刻輸電塔任意高度處的值。

3 結束語

建立與真實輸電塔結構各項參數較一致的有限元分析模型是進行輸電塔整體結構實時安全評定研究的基本前提條件。以湘江輸電塔為原型，本文建立了一種能夠用于評定現役輸電塔整體結構安全性的有限元模型?；谖墨I［11］提出了優化等效方法。將螺栓法蘭節點處被等效為與主桿件具有相同截面特征的桿件。螺栓脫落、桿件斷裂和受壓失穩均以損傷桿件截面剛度的折減來反映。在確定下擊暴流風載荷時，為體現其破壞性與隨機性，本文采用Vicroy模型，取下擊暴流最大風速時刻來確定其風壓值，并結合邊界層近地的風載荷表達式來求解下擊暴流的風載荷數值，并基于此建立考慮損傷的輸電塔整體結構的有限元分析模型。本研究為后續輸電塔的整體安全評定提供了參考，并被證明是完全可行的［20－21］。

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