高压输电塔结构的疲劳寿命分析_张卓群

范围等分数 N = 1 024； （ 3） 顺风向风速谱选取 Kaimal 谱，Kaimal 常数为 0. 4，指数衰减系数 CZ = 10。利用 之前介绍的风荷载模拟方法，得到不同模拟点的风速 时程曲线。图 2 为典型的模拟点 20 的脉动风速时程 曲线，风速功率谱与目标谱的比较如图 3 所示。
图 1 模型风模拟点位置 Fig. 1 Loading points of wind in simulation model
中图分类号： TM 75
文献标志码： A
DOI： 10. 3969 / j． issn. 1000 － 7229. 2014. 01. 003
文章编号： 1000 － 7229（ 2014） 01 － 0014 － 05
0引言
高压输电塔结构是一种重要的生命线工程。近 年来由于国家经济的快速、稳步增长，我国电力工业 也进入了高速发展的阶段。伴随着一大批高压和超 高压输电线路的建成和使用，标志着我国电力行业迈 上了更高的台阶。但是，正当输电塔结构在输送高负 荷电能中扮演起越来越重要的角色之时，频繁发生的 输电塔倒塌事故不仅给国家建设带来巨大的经济损 失，也使得输电塔结构的安全运行能力倍受关注。对 于输电塔而言，特别是“500 kV 双回路输电塔结构”， 以往的结构设计侧重于强度控制，强调结构抵御一次 性强风、地震、覆冰等重要灾害的能力，而对输电塔抗
图 4 杭州地区风玫瑰图 Fig. 4 Wind roses in Hangzhou
1. 3 补充荷载 在实际工程中，分析输电塔结构疲劳问题时如果
仅考虑“风 载 ”这 一 个 因 素，而 忽 视 了 由 于 钢 材 本 身 退化、腐蚀、雨荷载、特殊恶劣天气、地震等作用累计 损伤的影响，势必将导致结构计算出的结构剩余年限 值偏大，与实际情况存在一定偏差。本文为了更加准 确地反应输电塔因疲劳而引起的结构损伤问题，根据 当地的气候条件，将一次性强荷载作用情况（ 台风、 覆冰、安装等荷载工况） 转化为与风荷载工况一致的 分布概率和荷载谱，其中台风荷载按照每年 2 ～ 3 次， 风速按 33 m / s，持续时间一般为 24 h，最大考虑为 48 h计算。覆冰荷载按照 30 年一遇设计，覆冰厚度 为 5mm，一般持续时间 1 周。安装荷载应按 10 m / s 风速、无冰、相应气温的气象条件等，安装时间为 1 个 工作日。
理论研究
电力建设
第 35 卷第 1期 2014 年 1月
高压输电塔结构的疲劳寿命分析
张卓群，李宏男，李东升，任亮，孙彤
（ 大连理工大学建设工程学部，辽宁省大连市 116024）
摘 要： 输电塔结构是高负荷电能输送的载体，是一种重要的生命线工程。结构疲劳损伤被视为工程领域重要的破坏 因素之一。选取 500 kV 海宁—乔司 II 回路输电线路上的 ZSZH 型塔为研究对象，依据 M iner 线性疲劳累积损伤理论 和材料的 S-N 曲线，建立了一套完整的输电塔结构疲劳寿命分析方法。这种方法不仅重点强调了风荷载对输电塔疲劳 现象的影响，同时也考虑输电塔结构在服役期内承受过的台风、覆冰、安装等一次性强荷载工况。通过对工程实例的仿 真分析，表明该文方法可以准确、高效地预测输电塔结构的疲劳寿命，为今后进一步的工程应用奠定了基础。 关键词： 输电塔； 疲劳分析； 疲劳损伤理论； 疲劳寿命； 风荷载
1 荷载模拟与分布
1. 1 风荷载模拟
风荷载的流动速度和方向具有随时间和空间随
机变化的特 征，风 速 越 大，对 结 构 产 生 的 压 力 越 大。 通常情况，在任意点、任意高度的风速度［3］可表达为
平均风速和脉动风速之和，即
v（ z，t） = 珋v（ z） + 珋vf（ z，t）
（ 1）
式中： 珋v（ z） 为平均风速； 珋vf（ z，t） 为脉动风速。
本文选取 500 kV 海宁—乔司 II 回路输电线路上 的 ZSZH 型塔为研究对象，根据风玫瑰图和 Weibull 分布规律等计算不同季节、不同角度、不同风速的分
14 Electric Power Construction Vol. 35，No. 1，Jan． ，2014
第 35 卷第 1 期
张卓群，等： 高压输电塔结构的疲劳寿命分析
理论研究
布概率，通过 SAP2000 有限元软件模拟输电塔结构 在不同荷载工况作用下的受力情况，选用雨流法计数 模型统计应力循环幅值分布，最终应用材料的 S-N 曲 线和 Miner 线性疲劳累积损伤理论分析和预测输电 塔结构疲劳程度。
表 1 输电塔风荷载模拟点高度 Tab. 1 Height of loading point of wind in simulation model
1. 2 风荷载分布概率 风速的分布是空间的，风的作用可以来自任意方
向，且每个方向上风的强度和出现的频率都不相同， 因此需要考虑风速的分布规律。在某一风向上，不同
Electric Power Construction Vol. 35，No. 1，Jan． ，2014 15
理论研究
电力建设
2014 年 1 月
考虑到地面对风气流产生的摩擦阻力影响和风
速沿高度的变化规律，对于输电塔结构，平均风宜采 用对数风剖面计算公式［4］； 脉动风则宜采用沿高度 变化的 Kaimal 风速谱［5］。风场模拟实际上就是模拟
作用于结构离散节点上的随机脉动风速时程，为结构
动力分析提供荷载激励。本文结合大跨越输电塔在
风场中的结构几何特征、边界层风场的谱特性和有限
元Βιβλιοθήκη Baidu析方法，假 定 脉 动 风 速 为 零 均 值 的 平 稳 随 机 过 程，采用谐波叠加法对平稳随机过程进行模拟［6-9］。
本文将风荷载简化为 21 个模拟点作用到输电塔
上，具体位置如图 1 所示，其有关参数见表 1。脉动
风模拟 相 关 参 数 如 下： （ 1 ） 10 m 处 平 均 风 速 v10 = 20 m / s，地面粗糙长度 Z0 = 0. 2 m； （ 2） 时程总长 t = 300 s，时间步长 Δt = 0. 25 s，截止频率 ωu = 2 Hz，频率
他荷载 工 况，本 文 依 据 相 关 的 输 电 塔 结 构 设 计 规 范［11-12］模拟出了相应的荷载谱。本文采用单塔模型 进行疲劳分 析，导 地 线、绝 缘 子、金 具 等 简 化 为 质 量 源。图 5 为 SAP2000 软件建立的输电塔模型，其时 程分析是以在自重作用下的非线性静力分析结果作 为初始状态，在此基础上进行的动力分析［13］。
基 金 项 目： 国 家 自 然 科 学 基 金 委 创 新 研 究 群 体 科 学 基 金 （ 51121005） ； 高等学校学科创新引智计划（ B08014） 。
疲劳问题考虑较少。目前众多研究成果表明： 结构构 件疲劳损伤也是导致输电塔结构发生倒塌或者损坏 的主要形式之一［1］。
高压输电塔结构由于长期暴露在自然环境中，经 常受到频率 很 高 的 微 风 作 用，极 易 发 生 高 周 疲 劳 破 坏。这种随机脉动风荷载对结构构件反复作用会引 起疲劳损伤，最终导致部分杆件发生疲劳破坏，进而 引发整塔倒塌的工程安全事故。因此，研究角钢铁塔 塔材在风作用下的疲劳问题，以及评判结构剩余疲劳 寿命，对于提高我国输电塔线路安全等级具有非常重 要的作用［2］。 此 外，对 于 输 电 塔 结 构 服 役 期 内 承 受 过台风、覆冰、安装等一次性强荷载作用的情况，在结 构疲劳分析和剩余寿命计算过程中也都应该考虑。
大 小 的 平 均 风 速 出 现 的 概 率［10］ 可 以 认 为 服 从
Weibull 分布规律：
p（ v）
=
K A
（
v A
）
K
－ 1 exp［－
（
v A
）
K］
（ 2）
式中： p（ v） 为概率密度函数； K 和 A 为参数。
本文以杭州地区风玫瑰图为基础，将风作用的平
面以结构为圆心分成 360° 角，每 22. 5° 为一个区域，
Fatigue Life Analysis of HV Transmission Tower Structure
ZHANG Zhuoqun，LI Hongnan，LI Dongsheng，ＲEN Liang，SUN Tong
（ Faculty of Infrastructure Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，Liaoning Province，China） ABSTＲACT： The structure of transmission tow er is an important lifeline project as the carrier of high load pow er． Structural fatigue damage has been considered as one of the most vital destructive factors in civil engineering． Based on the M iner’s linear fatigue accumulation rule and S-N curve，the fatigue life analysis method for ZSZH tow er in the 500 kV HainingQiaosi double circuit transmission line w as proposed． In the fatigue analysis problem of transmission tow ers，this method not only emphasizes on w ind loads，but also considers several extraordinary serious load cases during the design reference period，including typhoon，ice load，construction load and so on． The numerical simulation results demonstrate that this method is quite accurate and effective to predict fatigue life of the transmission tow er，w hich lays a foundation for further engineering application in the future． KEYWOＲDS： transmission tow er； fatigue analysis； fatigue damage theory； fatigue life； w ind load
共 16 个区域，0°方向指向正北，按顺时针变化，如图
4 所示。根据不同平均风速出现的百分率可以得到
在每一风向上各种平均风速的作用时间。按照风荷
载标准高度处平均风速 v10 的大小划分为 15 个等级， 从 2 m / s 到 30 m / s，采用式（ 2） 就可以求解出不同风
向角度下不同风速的概率，其中 K = 1. 5，A = 5. 81。
图 5 输电塔疲劳分析模型 Fig. 5 Fatigue analysis model of transmission tower
3 雨流法分析
雨流计数 法 由 M atsuishi 和 Endo［14］ 首 先 提 出， Dolw ing 根据试验结果证明了该方法相对于其他方 法的优越性。该方法的特点是能够识别响应时程曲 线的各个回转点，并记下完整的滞回环数目，从而获 得各应力幅值下结构的实际循环次数［15］。在前文计 算出杆件内力时程曲线的基础上，运用雨流计数法对 关键部件杆件应力时程进行应力循环计数，可以得到 各风向和风速下的平均应力，再利用 Goodman 修正 公式得到等效应力幅值，最终统计出各方向不同风速 下结构构件的等效应力幅值和循环次数。以输电塔 的关键杆件 136 号单元为例，图 6 ～ 7 为在输电塔受 到 10 m 高度风速为 30 m / s，风攻角为 0° 时的 Von M ises 应力时程曲线和应力幅值统计情况。