风荷载作用下输电塔体系可靠度分析

论文摘要

近年来,随着我国国民经济的快速发展,对资源的合理开发和利用取得了长足进步。尤其是在引导电力资源方面,特高压输电塔线以其输电能力强和效益高等特点被广泛运用。作为重要生命线工程的电力设施,输电塔线体系的破坏将会导致供电系统的瘫痪,这不仅严重影响了人们的生产建设,生活秩序,而且可能会引发其它次生灾害。输电塔作为特殊的高耸结构,风荷载是导致其破坏的作用之一。因此,对输电塔进行在风荷载作用下的体系可靠性性能分析显得越发重要。本文采用蒙特卡洛（Monte-carlo）法对一种大跨越输电塔进行风荷载作用下的体系静力可靠度分析,主要研究内容为:介绍了风荷载的分布函数模型以及特性和构件材料的抗力分布模型。对于输电塔中的角钢构件,由于其特殊的形状特性,容易在受压时发生翘曲屈曲,而降低构件的承载能力。本文采用Ansys有限元分析软件中SHELL181单元建立了角钢模型,并通过施加初始缺陷和初始残余应力模拟真实的钢材性质,进行受力分析,得到角钢构件的屈曲承载力和失稳后承载力-相对位移曲线下降斜率。数值分析表明,角钢受压屈曲与构件长细比、宽厚比、加载方式等有关,其中构件长细比为主要因素。因此,本文根据构件长细比分别进行曲线拟合,提出了角钢构件屈曲和后屈曲的双折线失效模型。对大型输电塔进行简化,主要是对塔头部分、塔身横隔以及起支撑作用的辅助细杆进行了处理,得到塔架的空间桁架体系模型。荷载工况考虑塔架,导、地线,绝缘子等的重力,45°角的侧向塔架风荷载以及导、地线的风荷载。塔架上的风荷载处理成平均作用在每节段的节点上,导、地线的风荷载作用在塔架的悬挂节点上。用Matlab程序进行弹性范围内的静力分析,并与Ansys软件所建有限元模型的计算结果进行对比,相差在5%以内,证明程序有效。采用Matlab计算软件编制了可靠度分析程序,分别进行了桁架体系与混合体系下的塔架体系可靠度计算。通过结果对比分析,发现更符合实际输电塔特性的混合体系的失效概率要大于桁架体系模型,可靠指标相差约0.44。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 结构可靠度的理论
• 1.3 结构体系可靠度理论
• 1.4 输电塔架体系可靠度的研究现状
• 1.4.1 国外研究现状
• 1.4.2 国内研究现状
• 1.5 本文主要研究目的和创新
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 创新之处
• 1.6 本文研究对象和内容
• 1.6.1 研究对象
• 1.6.2 研究内容
• 2 风荷载及构件抗力的概率模型研究
• 2.1 近地风的特性
• 2.1.1 平均风描述
• 2.1.2 脉动风描述
• 2.2 基本风速和风荷载
• 2.2.1 风速的概率模型
• 2.2.2 风荷载的计算
• 2.3 材料强度的概率模型及统计参数
• 2.4 本章小结
• 3 角钢稳定分析
• 3.1 整体稳定理论基础
• 3.1.1 稳定问题的类型
• 3.1.2 稳定问题的计算方法
• 3.1.3 轴心受压构件的屈曲形式
• 3.1.4 压弯构件的屈曲形式
• 3.2 等边角钢的有限元分析
• 3.2.1 概述
• 3.2.2 角钢模型的建立和分析
• 3.2.3 承载力-相对位移双折线简化模型
• 3.3 本章小结
• 4 风载下塔架结构体系可靠度分析的基本原理和研究方法
• 4.1 可靠度分析基本原理
• 4.1.1 基本概念
• 4.1.2 塔架结构极限状态
• 4.1.3 可靠度指标
• 4.2 塔架结构体系可靠度基础性研究
• 4.2.1 塔架多元失效模式
• 4.2.2 失效模式的相关性
• 4.2.3 塔架体系可靠度分析的基本模型
• 4.3 蒙特卡洛方法（Monte-Carlo）
• 4.3.1 蒙特卡洛方法
• 4.3.2 蒙特卡洛方法基本原理
• 4.3.3 均匀分布随机数的产生方法
• 4.3.4 其它分布随机数的产生方法
• 4.3.5 随机抽样数N 的确定
• 4.4 本章小结
• 5 塔架可靠度分析
• 5.1 引言
• 5.2 塔架失效计算的程序分析
• 5.2.1 塔架体系失效准则
• 5.2.2 有限元程序的实现
• 5.2.3 前处理模块设计
• 5.2.4 有限元计算模块设计
• 5.3 大型塔架算例分析
• 5.3.1 塔架模型简化
• 5.3.2 桁架体系可靠度计算
• 5.3.3 桁架体系的调整
• 5.4 混合塔架体系的计算
• 5.4.1 不同模型的杆件轴向内力对比
• 5.4.2 混合体系模型可靠度计算
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 发展展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读学位期间发表的论文