基于性能目标的特高压输电塔抗风可靠度分析
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按照 现 行 输 电 塔 设 计 规 范 规 程 及 设 计 守 则[8-11],以杆件 和 连 接 破 坏 应 力 接 近 拉 伸 屈 服 或 压 曲破坏的极限强度 进 行 设 计,主 要 以 主 柱 材 和 柱 斜 材的应力比和塔顶位移作为标准要求。遵循设计, 性能水准的建立同样以此为控制标准。
本文根据灾害实例和输电塔的受力特点、破坏模 式及其失效规律[5,6],提出以应力比和 顶 点 位 移 作 为 控制标准的性 能 目 标 ,并 对 性 能 目 标 进 行 相 应 量 化 。 结 合 自 适 应 高 次 响 应 面 法[7],对 特 高 压 输 电 塔 结 构 进 行抗风静力性能可靠度分析的结果表明,本文所建议 的性能水准框架及可靠度分析方法有效且可行。
1.2 量 化 模 型
上 述 性 能 水 准 只 是 一 个 定 性 的 描 述 ,必 需 对 性
表 1 特 高 压 输 电 塔 结 构 抗 风 性 能 水 准 的 定 性 描 述 Table 1 Qualitative description of ultra-high voltage transmission tower structure′s wind-resistant behavior
Reliability Analysis on Ultra-high Voltage Transmission Tower under Wind based on Performance
YU Deng-ke,LI Zheng-liang,HAN Feng,WANG Zhi-song
(College of Civil Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,China)
类别பைடு நூலகம்
基本完好
轻微破坏
中等破坏
严重破坏及倒塌
塔身 应力
现象
无 损,所 有 构 件 处于弹性阶段
次斜材 出 现 塑 性 变 形 或 挠 曲,塔 腿 斜 材 和 柱 材 处 于 弹 性 阶 段,塔 体 系处于平衡状态
柱材出 现 塑 性 变 形 或 挠 曲,塔 体 系 处 于 平 衡 状态
柱材出 现 较 大 塑 性 变 形或挠 曲 从 而 失 去 继 续承载能力
摘 要 :特 高 压 输 电 塔 作 为 风 敏 感 结 构 ,在 不 同 风 荷 载 强 度 等 级 作 用 下 ,会 遭 受 不 同 程 度 的 损 伤 和 破 坏 甚 至 倒 塌 。 除 了关注倒塌这一严重破坏,对于特高压输电塔在运营期间不同的受损程度,即不 同 的 性 能 水 准 和 表 现 也 应 重 视 ,并 采取相应的加固维修措施。通过大量调研和分析,提 出 以 应 力 比 和 顶 点 位 移 为 控 制 标 准 的 性 能 目 标 ,并 建 立 了 其 性能水准量化模型;进而结合自适应高次响应面法,对 皖 电 东 送—上 海 1000kV 双 回 路 输 电 线 路 中 的 SZ301 直 线 塔进行了相应的抗风静力性能可靠度分析,从而验证 了 所 建 议 性 能 水 准 框 架 及 可 靠 度 分 析 方 法 的 可 行 性 ,对 工 程 设计和实践具有一定的指导意义。 关 键 词 :特 高 压 输 电 塔 ;可 靠 度 ;抗 风 性 能 ;响 应 面 法 ;失 效 概 率 中 图 分 类 号 :TM753 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1672-2132(2013)06-0657-06
658
防 灾 减 灾 工 程 学 报
第 33 卷
引 言
与一 般 的 架 空 输 电 线 路 相 比,特 高 压 输 电 塔 线 体系具有塔体高 度 高、跨 度 大 等 特 点。 对 这 样 的 兼 有高耸结 构 和 大 跨 度 结 构 共 同 特 点 的 输 电 塔 线 体 系 ,风 荷 载 往 往 成 为 控 制 荷 载 ,对 其 进 行 抗 风 可 靠 度 分析是很有必要的 。 [1-4] 然而,在现有输电线 路 可 靠 度 分 析 中 ,研 究 热 点 多 集 中 于 倒 塌 这 一 终 极 状 态 ,甚 少关注输 电 线 路 在 运 行 期 间 的 可 靠 度 表 现。 实 际 上 ,特 高 压 输 电 线 路 在 其 服 役 期 间 ,会 经 受 不 同 的 荷 载 (如 长 期 风 振 疲 劳 、偶 然 冲 击 荷 载 等 ),导 致 其 性 能 逐步弱化并最终 破 坏 或 倒 塌。 因 此,关 注 其 不 同 的 性能表现,即不同 的 性 能 水 准,并 进 行 相 应 的 维 护、 维修及加固甚至重 建,显 然 是 更 符 合 实 际 安 全 性 及 经济性要求的。
sponse surface method;probability of failure
* 收稿日期:2013-01-04;修回日期:2013-03-24 基 金 项 目 :国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 (51208537)资 助 作 者 简 介 :俞 登 科 (1987-),男 ,博 士 研 究 生 。 主 要 从 事 结 构 工 程 和 输 电 线 路 抗 风 及 可 靠 度 分 析 。 Email:yudengkevip@126.com
1 性能水准及量化模型
1.1 性 能 水 准
根据 我 国 输 电 线 路 风 灾 的 现 状 及 灾 害 实 例 分 析,强 风 作 用 下 输 电 塔 破 坏 和 倒 塌 模 式 主 要 分 为 4 类 :① 塔 腿 以 上 塔 身 第 1、第 2 塔 段 出 现 比 较 严 重 的
破坏,部分斜材断 裂;受 压 侧 塔 腿 比 较 完 整,未 发 生 严 重 的 变 形 或 者 屈 曲 。 ② 塔 腿 以 上 塔 身 的 第 1、第 2 塔 段 发 生 严 重 的 破 坏 ,相 互 之 间 扭 作 一 团 ,受 压 侧 主 材在塔腿上面部位 已 经 断 裂;塔 腿 从 根 部 开 始 完 全 倒 伏 。 ③ 塔 身 中 部 发 生 严 重 破 坏 ,塔 腿 部 完 整 无 损 。 ④ 塔 头 完 全 破 坏 ,挂 落 在 塔 身 顶 部 ;塔 腿 和 塔 身 部 分 完整无损。
(1)主柱材(角 钢 或 圆 钢)。 为 了 检 验 输 电 塔 设 计计算时对控制应 力 比 设 置 的 合 理 性,国 内 多 次 针
对采用双角钢十字形组合截面主材的铁塔进行了真 型塔力学试验,为双 角 钢 十 字 形 组 合 截 面 构 件 稳 定 承载力研究提供 了 宝 贵 的 数 据。 输 电 塔 设 计 时,以 钢材应力比ξ 为 控 制 标 准 之 一,ξ=f′/f。 其 中,f′ 为设计应力,f=fy/γR 为允许应力。ξ<1.00时,通 常称之为应 力 比 100%,设 计 控 制 时 定 为 是 安 全 可 靠的;1.00≤ξ<1.15 时,钢 材 进 入 塑 性 阶 段,设 计 控制时定为主柱材进入 破 坏 阶 段;ξ≥1.15 时,主 柱 材进入强度屈服,输 电 塔 塔 架 钢 材 超 越 严 重 破 坏 或 倒塌的临界点。
工程 实 践 中,其 针 对 主 柱 材 和 塔 腿 斜 材 塑 性 变 形 或 挠 度 、塔 顶 点 位 移 和 局 部 变 形 ,现 场 常 以 多 视 角 的肉眼观察是否处 于 经 验 范 围,尚 未 建 立 标 准 的 检 测手段和检测限 定 值。 同 样,应 力 比 是 否 超 越 承 载 力要求的检测,材料 屈 服 后 强 度 对 塔 架 系 统 安 全 性 的影响,亦未建 立 标 准 的 检 测 手 段。 根 据 输 电 塔 倒 塌 实 例 分 析 、结 合 设 计 规 范 要 求 ,以 控 制 点 的 位 移 和 挠度为标准,同时考 虑 局 部 变 形 (地 线 支 架、横 担 和 曲臂)的 作 用,主 要 是 针 对 变 形 后 塔 架 体 系 能 否 恢 复 ,建 立 了 性 能 水 准 。
维护 标准
可忽略
经过常 规 修 复 可 继 续 经过常 规 修 复 可 继 续
使用
使用
重大修复或不可修复
塔顶点位移
文献[9]允许值 小于设计经验值
大于设计经验值
设计经 验 或 有 限 元 计 算值
地 线 支 架、横 担 局部位移
构件 处 于 弹 性 阶段
小于设 计 经 验 值 (预 起 拱值)
大于设计经验值
通过对多种 电 压 等 级 (220、330、400、500、750、 1000kV)的输 电 塔 在 运 行 过 程 中 出 现 的 破 坏 或 倒 塌工况等资料的汇 集 与 分 析,提 出 特 高 压 输 电 塔 结 构 抗 风 性 能 4 阶 段 水 准 的 定 性 描 述 :基 本 完 好 、轻 微 破 坏 、中 等 破 坏 和 严 重 破 坏 及 倒 塌 ,如 表 1 所 示 。
设计经 验 或 有 限 元 计 算值
曲臂局部位移
构件 处 于 弹 性
阶段
小于设计经验值
小于设计经验值
大于设计经验值
第6期
俞 登 科 等 :基 于 性 能 目 标 的 特 高 压 输 电 塔 抗 风 可 靠 度 分 析
659
能目标进行量化,才 能 对 可 靠 度 分 析 和 结 构 设 计 的 工程实践具有指导性和实用性。在设计和工程实践 中,判断输电塔是否 满 足 预 定 功 能 要 求 和 是 否 处 于 良好的工作状态,以 主 材 应 力 和 塔 架 位 移 为 控 制 标 准 ,具 体 描 述 为 :
第 33 卷 第 6 期 2013 年 12 月
防灾减灾工程学报
Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering
Vol.33 No.6 Dec.2013
基于性能目标的特高压输电塔抗风可靠度分析*
俞登科,李正良,韩 枫,汪之松
(重庆大学土木工程学院,重庆 400045)
Abstract:As sensitive structures,ultra-high voltage transmission towers will be damaged in dif- ferent degree or even collapse under wind load with different strength grade.In addition to the collapse of these towers,their performance should also be concerned and appropriate reinforce- ment and repair strategy should be taken.A quantitative model of performance standards is es- tablished in this paper through a lot of research and analysis.This model takes stress ratio and vertex displacement as the targets of control standard.Then the wind-resistant performance relia- bility of the straight line tower named SZ301,which is selected from 1000 kV double circuit transmission line between Anhui and Shanghai is analyzed by using the proposed high-order adap- tive response surface method.The numerical example indicates that the proposed performance standard framework and the corresponding reliability analysis method are feasible and be signifi- cative to the engineering design and practice. Key words:ultra-high voltage transmission tower;reliability;wind resistance performance;re-
本文根据灾害实例和输电塔的受力特点、破坏模 式及其失效规律[5,6],提出以应力比和 顶 点 位 移 作 为 控制标准的性 能 目 标 ,并 对 性 能 目 标 进 行 相 应 量 化 。 结 合 自 适 应 高 次 响 应 面 法[7],对 特 高 压 输 电 塔 结 构 进 行抗风静力性能可靠度分析的结果表明,本文所建议 的性能水准框架及可靠度分析方法有效且可行。
1.2 量 化 模 型
上 述 性 能 水 准 只 是 一 个 定 性 的 描 述 ,必 需 对 性
表 1 特 高 压 输 电 塔 结 构 抗 风 性 能 水 准 的 定 性 描 述 Table 1 Qualitative description of ultra-high voltage transmission tower structure′s wind-resistant behavior
Reliability Analysis on Ultra-high Voltage Transmission Tower under Wind based on Performance
YU Deng-ke,LI Zheng-liang,HAN Feng,WANG Zhi-song
(College of Civil Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,China)
类别பைடு நூலகம்
基本完好
轻微破坏
中等破坏
严重破坏及倒塌
塔身 应力
现象
无 损,所 有 构 件 处于弹性阶段
次斜材 出 现 塑 性 变 形 或 挠 曲,塔 腿 斜 材 和 柱 材 处 于 弹 性 阶 段,塔 体 系处于平衡状态
柱材出 现 塑 性 变 形 或 挠 曲,塔 体 系 处 于 平 衡 状态
柱材出 现 较 大 塑 性 变 形或挠 曲 从 而 失 去 继 续承载能力
摘 要 :特 高 压 输 电 塔 作 为 风 敏 感 结 构 ,在 不 同 风 荷 载 强 度 等 级 作 用 下 ,会 遭 受 不 同 程 度 的 损 伤 和 破 坏 甚 至 倒 塌 。 除 了关注倒塌这一严重破坏,对于特高压输电塔在运营期间不同的受损程度,即不 同 的 性 能 水 准 和 表 现 也 应 重 视 ,并 采取相应的加固维修措施。通过大量调研和分析,提 出 以 应 力 比 和 顶 点 位 移 为 控 制 标 准 的 性 能 目 标 ,并 建 立 了 其 性能水准量化模型;进而结合自适应高次响应面法,对 皖 电 东 送—上 海 1000kV 双 回 路 输 电 线 路 中 的 SZ301 直 线 塔进行了相应的抗风静力性能可靠度分析,从而验证 了 所 建 议 性 能 水 准 框 架 及 可 靠 度 分 析 方 法 的 可 行 性 ,对 工 程 设计和实践具有一定的指导意义。 关 键 词 :特 高 压 输 电 塔 ;可 靠 度 ;抗 风 性 能 ;响 应 面 法 ;失 效 概 率 中 图 分 类 号 :TM753 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1672-2132(2013)06-0657-06
658
防 灾 减 灾 工 程 学 报
第 33 卷
引 言
与一 般 的 架 空 输 电 线 路 相 比,特 高 压 输 电 塔 线 体系具有塔体高 度 高、跨 度 大 等 特 点。 对 这 样 的 兼 有高耸结 构 和 大 跨 度 结 构 共 同 特 点 的 输 电 塔 线 体 系 ,风 荷 载 往 往 成 为 控 制 荷 载 ,对 其 进 行 抗 风 可 靠 度 分析是很有必要的 。 [1-4] 然而,在现有输电线 路 可 靠 度 分 析 中 ,研 究 热 点 多 集 中 于 倒 塌 这 一 终 极 状 态 ,甚 少关注输 电 线 路 在 运 行 期 间 的 可 靠 度 表 现。 实 际 上 ,特 高 压 输 电 线 路 在 其 服 役 期 间 ,会 经 受 不 同 的 荷 载 (如 长 期 风 振 疲 劳 、偶 然 冲 击 荷 载 等 ),导 致 其 性 能 逐步弱化并最终 破 坏 或 倒 塌。 因 此,关 注 其 不 同 的 性能表现,即不同 的 性 能 水 准,并 进 行 相 应 的 维 护、 维修及加固甚至重 建,显 然 是 更 符 合 实 际 安 全 性 及 经济性要求的。
sponse surface method;probability of failure
* 收稿日期:2013-01-04;修回日期:2013-03-24 基 金 项 目 :国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 (51208537)资 助 作 者 简 介 :俞 登 科 (1987-),男 ,博 士 研 究 生 。 主 要 从 事 结 构 工 程 和 输 电 线 路 抗 风 及 可 靠 度 分 析 。 Email:yudengkevip@126.com
1 性能水准及量化模型
1.1 性 能 水 准
根据 我 国 输 电 线 路 风 灾 的 现 状 及 灾 害 实 例 分 析,强 风 作 用 下 输 电 塔 破 坏 和 倒 塌 模 式 主 要 分 为 4 类 :① 塔 腿 以 上 塔 身 第 1、第 2 塔 段 出 现 比 较 严 重 的
破坏,部分斜材断 裂;受 压 侧 塔 腿 比 较 完 整,未 发 生 严 重 的 变 形 或 者 屈 曲 。 ② 塔 腿 以 上 塔 身 的 第 1、第 2 塔 段 发 生 严 重 的 破 坏 ,相 互 之 间 扭 作 一 团 ,受 压 侧 主 材在塔腿上面部位 已 经 断 裂;塔 腿 从 根 部 开 始 完 全 倒 伏 。 ③ 塔 身 中 部 发 生 严 重 破 坏 ,塔 腿 部 完 整 无 损 。 ④ 塔 头 完 全 破 坏 ,挂 落 在 塔 身 顶 部 ;塔 腿 和 塔 身 部 分 完整无损。
(1)主柱材(角 钢 或 圆 钢)。 为 了 检 验 输 电 塔 设 计计算时对控制应 力 比 设 置 的 合 理 性,国 内 多 次 针
对采用双角钢十字形组合截面主材的铁塔进行了真 型塔力学试验,为双 角 钢 十 字 形 组 合 截 面 构 件 稳 定 承载力研究提供 了 宝 贵 的 数 据。 输 电 塔 设 计 时,以 钢材应力比ξ 为 控 制 标 准 之 一,ξ=f′/f。 其 中,f′ 为设计应力,f=fy/γR 为允许应力。ξ<1.00时,通 常称之为应 力 比 100%,设 计 控 制 时 定 为 是 安 全 可 靠的;1.00≤ξ<1.15 时,钢 材 进 入 塑 性 阶 段,设 计 控制时定为主柱材进入 破 坏 阶 段;ξ≥1.15 时,主 柱 材进入强度屈服,输 电 塔 塔 架 钢 材 超 越 严 重 破 坏 或 倒塌的临界点。
工程 实 践 中,其 针 对 主 柱 材 和 塔 腿 斜 材 塑 性 变 形 或 挠 度 、塔 顶 点 位 移 和 局 部 变 形 ,现 场 常 以 多 视 角 的肉眼观察是否处 于 经 验 范 围,尚 未 建 立 标 准 的 检 测手段和检测限 定 值。 同 样,应 力 比 是 否 超 越 承 载 力要求的检测,材料 屈 服 后 强 度 对 塔 架 系 统 安 全 性 的影响,亦未建 立 标 准 的 检 测 手 段。 根 据 输 电 塔 倒 塌 实 例 分 析 、结 合 设 计 规 范 要 求 ,以 控 制 点 的 位 移 和 挠度为标准,同时考 虑 局 部 变 形 (地 线 支 架、横 担 和 曲臂)的 作 用,主 要 是 针 对 变 形 后 塔 架 体 系 能 否 恢 复 ,建 立 了 性 能 水 准 。
维护 标准
可忽略
经过常 规 修 复 可 继 续 经过常 规 修 复 可 继 续
使用
使用
重大修复或不可修复
塔顶点位移
文献[9]允许值 小于设计经验值
大于设计经验值
设计经 验 或 有 限 元 计 算值
地 线 支 架、横 担 局部位移
构件 处 于 弹 性 阶段
小于设 计 经 验 值 (预 起 拱值)
大于设计经验值
通过对多种 电 压 等 级 (220、330、400、500、750、 1000kV)的输 电 塔 在 运 行 过 程 中 出 现 的 破 坏 或 倒 塌工况等资料的汇 集 与 分 析,提 出 特 高 压 输 电 塔 结 构 抗 风 性 能 4 阶 段 水 准 的 定 性 描 述 :基 本 完 好 、轻 微 破 坏 、中 等 破 坏 和 严 重 破 坏 及 倒 塌 ,如 表 1 所 示 。
设计经 验 或 有 限 元 计 算值
曲臂局部位移
构件 处 于 弹 性
阶段
小于设计经验值
小于设计经验值
大于设计经验值
第6期
俞 登 科 等 :基 于 性 能 目 标 的 特 高 压 输 电 塔 抗 风 可 靠 度 分 析
659
能目标进行量化,才 能 对 可 靠 度 分 析 和 结 构 设 计 的 工程实践具有指导性和实用性。在设计和工程实践 中,判断输电塔是否 满 足 预 定 功 能 要 求 和 是 否 处 于 良好的工作状态,以 主 材 应 力 和 塔 架 位 移 为 控 制 标 准 ,具 体 描 述 为 :
第 33 卷 第 6 期 2013 年 12 月
防灾减灾工程学报
Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering
Vol.33 No.6 Dec.2013
基于性能目标的特高压输电塔抗风可靠度分析*
俞登科,李正良,韩 枫,汪之松
(重庆大学土木工程学院,重庆 400045)
Abstract:As sensitive structures,ultra-high voltage transmission towers will be damaged in dif- ferent degree or even collapse under wind load with different strength grade.In addition to the collapse of these towers,their performance should also be concerned and appropriate reinforce- ment and repair strategy should be taken.A quantitative model of performance standards is es- tablished in this paper through a lot of research and analysis.This model takes stress ratio and vertex displacement as the targets of control standard.Then the wind-resistant performance relia- bility of the straight line tower named SZ301,which is selected from 1000 kV double circuit transmission line between Anhui and Shanghai is analyzed by using the proposed high-order adap- tive response surface method.The numerical example indicates that the proposed performance standard framework and the corresponding reliability analysis method are feasible and be signifi- cative to the engineering design and practice. Key words:ultra-high voltage transmission tower;reliability;wind resistance performance;re-