基于首次超越破坏的输电塔强风易损性分析_赵子涵.pdf

Industrial Construction Vol.53,No.4,2023工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期15 基于首次超越破坏的输电塔强风易损性分析赵子涵1肖凯2肖仪清3李朝3张文通3(1.深圳职业技术学院建筑工程学院,广东深圳518055;2.广东电网公司电力科学研究院,广州510080;3.哈尔滨工业大学(深圳)土木与环境工程学院,广东深圳518055)摘要:参照输电塔现行设计规范,首先,获得了风荷载作用下单塔结构的能力曲线,并依据结构构件的受力特征,以塔顶位移角为指标讨论了 3 种首次超越破坏的界限状态。其次,基于拉丁超立方抽样技术获得的结构等效静力计算样本,对界限值划分的合理性进行验证。最后,结合不确定分析样本的统计特性,计算塔架在最不利风向角下,不同顶点位移角限值的易损性曲线,并对比了采用动力可靠性分析获得的“三塔两线”体系计算结果。HCLPF(High Confidence,Low Probability of Failure)对应风速值表明,不同方法的计算结果较为接近,但单塔结构计算效率较高。关键词:输电塔;能力曲线;易损性曲线;HCLPF;首次超越破坏 DOI:10.13204/j.gyjzG20121012Fragility Analysis of Transmission Towers with a Strong WindBased on First-Passage Failure Criterion ZHAO Zihan1XIAO Kai2XIAO Yiqing3LI Chao3ZHANG Wentong3(1.Department of Civil Engineering,Shenzhen Polytechnic,Shenzhen 518055,China;2.Electric Power ResearchInstitute of Guangdong Power Grid Co.,Ltd.,Guangzhou 510080,China;3.Civil and Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology(Shenzhen),Shenzhen 518055,China)Abstract:The capacity curves of lattice transmission towers under wind loading were first calculated based on current design codes.According to the stress characteristics of structural components,three performance indexes under the first-passage failure criterion were discussed by using the displacement angle of the tower top as an indicator.Then,these indexes were validated by implementing the statistical analysis based on the Latin Hypercube Sampling(LHS)of equivalent static calculation.Thirdly,the fragility curves under unfavorable wind directions were calculated with the uncertain characteristics of the vertex displacement angle.These results were validated with an overhead transmission line-tower system by using the first-passage failure theory.Wind speeds corresponding to the HCLPF(High Confidence,Low Probability of Failure)results showed that the results under different methods were very close to each other,but the LHS approach had higher calculation efficiency.Keywords:transmission tower;capacity curve;fragility curve;HCLPF;first-passage failure 国家重点研发计划资助(2018YFC0705605);广东电网公司科技项目(GDKJQQ20153009)。第一作者:赵子涵,男,1993 年出生,讲师。电子信箱:zhaozihan319 收稿日期:2020-12-100引言电力基础设施是我国东南沿海城市化进程中不可或缺的一部分,然而强风作用下,输电铁塔倒塌事故时有发生。仅 2012 年和 2013 年,台风在我国广东沿海地区共造成 4 基 220 kV、14 基 110 kV 铁塔倒塌1。近几年来,随着全球气候变暖,台风在我国登陆强度呈现出的增大趋势2,使得沿海地区输电线塔的台风灾害风险分析日趋重视。台风灾害风险分析包括危险性分析、易损性分析和灾害损失评估3。其中易损性分析是指在给定风速下,结构系统或构件达到不同破坏状态的概率。由于台风强度和登陆路径的可预见性,输电塔的易损性分析,一方面可结合中尺度天气预报系统,为台风影响区域的输电设施灾前预警奠定基础;另一方面也可结合台风登陆后的实测数据,为灾后结构的修复和评估提供参考依据。结构风灾易损性分析方法可以概括为定性分析4-5和定量分析6-8两种。其中,基于概率可靠度理论的定量计算方法由于方式灵活、结果可靠,目前已在台风灾害风险分析领域广泛采用。对于输电线16 工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期塔这类柔性结构体系,其在风、雨等环境荷载影响下的动力响应表现出了较强的随机非线性特征。传统的等效静力概率评估手段不能真实地考虑结构本身在荷载激励下的失效准则及可靠性9。而相比之下,以首次超越破坏为代表的概率可靠性分析能够较好地考虑荷载的随机性和线塔结构本身的非线性反应特征。该方法以结构体系关键部位(如控制点的应力、应变、位移等)是否超越安全界限来判别破坏或失效状态,能够处理分析过程中出现的各种随机因素。对于输电塔这类高耸结构,可通过塔顶位移响应的统计特征来评估结构的刚度破坏状态10。本文基于首次超越破坏理论,获得了台风影响区域内典型杆塔结构在不利风向角下的失效概率。着重探讨了等效静力计算和非线性动力时程分析两种方法在结构易损性曲线及高置信度低失效概率对应风速值的计算效果差异。1结构易损性计算方法强风作用下,输电塔架结构的破坏形式包括受拉构件的强度破坏、受压构件的失稳破坏以及弯曲剪切破坏的组合等9。由于塔线结构体系的复杂性,环境荷载作用变量与结构构件响应之间并不具有明确的功能函数表达式,使得概率可靠性模型难以直接确定。而对于输电塔这类高耸结构而言,在水平风荷载作用下,最大位移发生在塔身顶点部位,其结构的功能函数可简化表示为:Z=F(X)=limit(X)-(X)(1)式中:X=x1,x2,xn 为荷载和结构抗力的随机参数;,limit分别为荷载作用下结构的顶点位移角及其限值。基于首次超越破坏理论,当 F(X)0 时,可判定结构跨越安全界限,处于一定的刚度失效状态,此时结构的失效概率可表示为:Pf=P(F(X)0)=F(X)0f(X)dX(2)式中:f(X)为不确定参数的联合概率密度分布函数。根据式(2)构造方法的不同,结构失效概率 Pf的计算有多种类型。本文采取的计算路线如图 1 所示,首先,以塔身构件的受力特征和顶点位移角为指标,采用非线性静力推覆获得结构不同破坏状态的指标限值;其次,针对单塔结构的等效静力计算,本文基于拉丁超立方抽样(简称 LHS)技术获得的结构计算样本统计特性,讨论了单塔结构在不同界限值下的失效概率;然后,为考虑导地线对塔身动力特性的影响,采用动力可靠性分析方法对“三塔两线”结构体系中塔身的失效概率做出计算;最后,结合置信区间的概念,获得了不同置信度下结构的易损性曲线及高置信度、低失效概率所对应的风速值。图 1输电线塔易损性分析计算流程Fig.1Flow chart of fragility analysis of transmission towers近几年的风灾实例表明,输电线塔体系的失效类型主要包括金具断裂、倒塔、断线和故障跳闸1,其中,倒塔对电力设施的抢修影响最大。随着输电线塔结构设计标准和生产质量的提高,导地线及其连接部分在强风作用下发生断裂破坏的概率明显降低。为此,主要讨论该连接部分不失效的前提下,塔身结构失效的易损性计算。2计算模型及性能指标的确定2.1有限元模型建立易损性分析对象为广东大亚湾地区某 500 kV耐张线塔体系。其中,耐张塔高 57 m,水平档距250 m,设计风速为 38 m/s。该典型塔架在大亚湾地区的主网中使用较多,且所处区域受台风影响较大,如 2016 年超强台风“海马”、2018 年超强台风“山竹”。线塔体系在通用 ANSYS 有限元软件中进行建模,其中主材、斜材、横材采用 Beam 188 梁单元,辅材和导地线分别采用 Link 8 和 Link 10 单元,塔身材料为 Q345 钢和 Q235 钢两种。为简化考虑,将四分裂导线合成一条导线。为提高计算效率,线塔体系采用“三塔两线”体系。导、地线模型采用表 1 参数,线塔体系计算模型及风向角的定义如图 2 所示。2.2风荷载模拟与施加单塔 结 构 的 等 效 静 风 荷 载 选 取 参 照 DL/T 51542012架空输电线路杆塔结构设计技术规定11。对于线塔体系的动力计算,本文采用谐波基于首次超越破坏的输电塔强风易损性分析 赵子涵,等17 表 1导、地线模型计算参数Table 1Parameters of conductor and ground wire models型号总截面积/mm2总直径/mm拉断力/N弹性模量/MPa泊松比单位长度质量/(kg km-1)最大使用张力/NJL/LB1A-400/35425.2426.82101 005.966 0000.31 307.339 482JL/LB1A-150/35181.6217.563 986.375 0000.3634.424 919图 2易损性分析有限元模型Fig.2Finite element model of fragility analysis叠加法生成随机风速时程。其中,假设平均风剖面服从指数分布,模拟风速谱采用 Kaimal 谱:nSfu2=200f(1+50f)5/3(3)式中:Sf为功率谱密度;f 为 Monin 坐标。相干函数采用 Davenport 形式:Coh()=exp-Cr2U(z)(4)式中:C 为衰减系数,此处取 8;为圆频率,rad/s;r为计算点之间的间距,m。根据输电线塔的结构分布特征,竖向选取 10 个不同位置(高度依次为 9,14,19,24,29,34,39,44,49,57 m),水平向以 16 m 为间隔,生成不同位置处的脉动风速时程。t 时刻、z 高度处,塔身和导地线的风压计算忽略脉动风的平方项。2.3塔身不利风向角与性能指标的计算非线性静力推覆(简称 NSP)以及增量动力分析方法(简称 IDA)被广泛用于确定建筑结构在地震作用下的能力曲线,但 NSP 和 IDA 方法在结构抗风中应用较少。考虑到输电塔在南方沿海地区受风荷载影响要大于地震作用,本文参考 Banik 等的研究成果12,采用 NSP 方法,获得 DL/T 51542