基于風(fēng)荷載時(shí)程的500kv輸電塔結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

基于風(fēng)荷載時(shí)程的500kv輸電塔結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

0風(fēng)振疲勞壽命疲勞破壞是指結(jié)構(gòu)使用過程中的疲勞積累，材料在正常應(yīng)力周期的作用下逐漸硬化，最終從微裂縫到斷裂的過程。工程結(jié)構(gòu)因材料疲勞損傷而破壞是結(jié)構(gòu)破壞的主要形式和設(shè)計(jì)內(nèi)容之一。對(duì)于輸電塔線結(jié)構(gòu)而言,以往的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)側(cè)重于強(qiáng)度控制,對(duì)輸電塔的構(gòu)件材料疲勞損傷則很少考慮。輸電線塔等高聳鋼結(jié)構(gòu)由于長期暴露在自然環(huán)境中,極易受到發(fā)生頻率很高的微風(fēng)的作用,這種隨機(jī)脈動(dòng)風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件反復(fù)作用會(huì)引起裂紋的萌生,并隨著作用時(shí)間的持續(xù),裂紋不斷擴(kuò)展以致最終發(fā)生疲勞破壞引發(fā)工程安全事故?；跀嗔蚜W(xué)和疲勞裂紋擴(kuò)展理論的損傷容限法是計(jì)算疲勞壽命的一類重要方法,該方法在航空航天、核工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛,并有著很好的效果,但在輸電塔結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用還很少。Paris提出了描述裂紋擴(kuò)展速率的冪函數(shù)公式,Dolinski等將其應(yīng)用于隨機(jī)變幅疲勞問題。隨著對(duì)疲勞問題研究的深入,人們逐漸認(rèn)識(shí)到材料的疲勞是一個(gè)有著較大統(tǒng)計(jì)分散性的過程,Dolinski、Bogdanoff和Kozin、Lin和Yang、Dominguez等人引入了隨機(jī)裂紋擴(kuò)展的概念,并建立了不同的統(tǒng)計(jì)模型。Yang和Manning分別采用Monte-Carlo模擬法和二次矩近似法將對(duì)數(shù)正態(tài)擴(kuò)展模型應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),取得了很好的效果。屠海明和鄧洪洲、徐志宏等應(yīng)用該方法計(jì)算了桅桿結(jié)構(gòu)的風(fēng)振疲勞壽命,但沒有考慮參數(shù)統(tǒng)計(jì)的分散性。本文基于損傷容限理論和斷裂力學(xué)理論,對(duì)500kV輸電塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命分析,重點(diǎn)研究角鋼鐵塔塔材和節(jié)點(diǎn)板焊縫在風(fēng)力作用下疲勞問題,以及輸電塔結(jié)構(gòu)在風(fēng)力作用下疲勞壽命的評(píng)定方法,其分析步驟如圖1所示。1脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)模擬本文研究的500kV輸電塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)環(huán)境取南京地區(qū)風(fēng)玫瑰圖,對(duì)輸電塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了疲勞計(jì)算。在實(shí)際的應(yīng)用中,對(duì)輸電塔每個(gè)模擬區(qū)域簡化為一個(gè)模擬點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)荷載的模擬,其具體位置如圖2所示,參數(shù)如表1所示。計(jì)算時(shí)導(dǎo)線上每一點(diǎn)的風(fēng)速時(shí)程均與懸掛點(diǎn)處風(fēng)速時(shí)程相同,忽略導(dǎo)線各點(diǎn)的高度差異對(duì)風(fēng)荷載時(shí)程的影響。與脈動(dòng)風(fēng)模擬相關(guān)的參數(shù)取值如下:①10m處平均風(fēng)速,地面粗糙長度Z0=0.2m;②時(shí)程總長t=300s,時(shí)間步長△t=0.25s,截止頻率ωu=2Hz,頻率范圍等分?jǐn)?shù)N=1024;③順風(fēng)向風(fēng)速譜選取Kaimal譜,常數(shù)取為0.4,指數(shù)衰減系數(shù),Cz=10。經(jīng)過模擬,得到圖2中各個(gè)位置點(diǎn)的風(fēng)速時(shí)程曲線,如圖3、4所示。為了驗(yàn)證模擬方法的有效性和可靠性,應(yīng)對(duì)模擬風(fēng)速場(chǎng)的功率譜特征與目標(biāo)風(fēng)速譜進(jìn)行比較,考察模擬風(fēng)場(chǎng)與目標(biāo)函數(shù)相吻合程度,模擬點(diǎn)2和10風(fēng)速功率譜比較如圖5所示。由圖可見,模擬風(fēng)速譜的譜線趨勢(shì)與目標(biāo)譜線是一致的,其譜線的總體均值與目標(biāo)譜也很接近,這表明模擬方法與所取參數(shù)是合理有效的。2桿件疲勞壽命分析采用前述方法,得到了塔身各節(jié)點(diǎn)的順風(fēng)向風(fēng)荷載時(shí)程,利用SAP2000中的時(shí)程分析模塊對(duì)輸電塔體系進(jìn)行了風(fēng)振響應(yīng)的時(shí)程分析。時(shí)程分析依然是以在自重作用下的非線性靜力分析結(jié)果作為初始狀態(tài),在此基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)力分析。對(duì)輸電塔幾個(gè)典型桿件單元進(jìn)行疲勞壽命分析,危險(xiǎn)部位如圖7所示。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范,桿件32單元采用第2類連接方式C=3.26×1012,β=4,極限強(qiáng)度343Mpa。桿件1401、1402、1411、1412、1255、1256、1265、1266、837和1151單元等采用第8類連接方式C=0.41×1012,β=3,極限強(qiáng)度343Mpa。3分風(fēng)作用下的應(yīng)力對(duì)輸電塔體系進(jìn)行不同風(fēng)向和風(fēng)速下的時(shí)程分析,可以得到關(guān)鍵桿件端部的內(nèi)力時(shí)程。運(yùn)用前面所述的雨流計(jì)數(shù)法對(duì)所得的關(guān)鍵部件應(yīng)力時(shí)程進(jìn)行應(yīng)力循環(huán)計(jì)數(shù),可以得到各風(fēng)向和風(fēng)速下的平均應(yīng)力,再利用公式(12)得到等效應(yīng)力幅。通過統(tǒng)計(jì)出各方向、各風(fēng)速下結(jié)構(gòu)構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)連接的等效應(yīng)力幅值及相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。這里以輸電塔的關(guān)鍵桿件1401號(hào)單元為例,圖8-12表示1401號(hào)單元在輸電塔受到10米高度風(fēng)速為v=30m/s,風(fēng)攻角為0度、22.5度、45度、67.5度、90度風(fēng)載作用時(shí)的VonMises應(yīng)力時(shí)程曲線,時(shí)長為60s。圖13-17表示應(yīng)力幅統(tǒng)計(jì)情況。4疲勞循環(huán)次數(shù)及疲勞累積損傷在鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞過程中,裂紋尖端塑性區(qū)域通常很小,因而線彈性斷裂力學(xué)方法能較好地適用。用該種方法考察疲勞問題,首先是分析裂紋擴(kuò)展速率da/dN,在線彈性斷裂力學(xué)范圍內(nèi),靜載作用下應(yīng)力強(qiáng)度因子K能恰當(dāng)?shù)孛枋隽鸭y尖端的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度。大量的疲勞試驗(yàn)證明,K也是控制裂紋擴(kuò)展速率da/dN的主要參數(shù),且與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度△K存在一定的函數(shù)關(guān)系,這里△K是由交變應(yīng)力最大值σmax與最小值σmin所計(jì)算的應(yīng)力強(qiáng)度因子值之差,即△K=Kmax-Kmin。Paris最早給出了da/dN與△K之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式(Paris定律)。式中,c和n為與材料有關(guān)的常數(shù)。確切地說,n不僅與材料有關(guān),還與平均應(yīng)力及環(huán)境有關(guān),為簡便起見,在近似計(jì)算中不考慮這些因素的影響。如己知原始裂紋尺寸a0及裂紋臨界尺寸ac,則可以按下式得到疲勞循環(huán)次數(shù):式中,Y為表征含裂紋構(gòu)件幾何形狀的無因次系數(shù),代入式(2)可得:對(duì)于初始裂紋尺寸a0的取值,文獻(xiàn)建議在沒有實(shí)測(cè)資料的情況下,取0.05~0.5mm;裂紋臨界尺寸則根據(jù)材料的斷裂韌性確定。以上是塔材和節(jié)點(diǎn)板焊縫在常幅疲勞荷載作用下估算裂紋擴(kuò)展壽命的一般公式,在變幅加載疲勞中,需要對(duì)應(yīng)力幅值加以折算:根據(jù)Miner規(guī)則的假定,不同應(yīng)力幅對(duì)結(jié)構(gòu)作用的先后順序不影響疲勞壽命,可以假設(shè):將上面各式左右兩邊各自相加,可得又根據(jù)等效應(yīng)力幅的概念,有以上兩式相比較,可以得到等效應(yīng)力幅△σc為:根據(jù)上述得到的構(gòu)件應(yīng)力時(shí)程,利用(12)式將非零均值的應(yīng)力幅值換算為零均值的應(yīng)力幅值,然后利用(4)式得到各零均值應(yīng)力幅值對(duì)應(yīng)的疲勞破壞循環(huán)次數(shù);最后根據(jù)Miner線性疲勞累積損傷理論獲得結(jié)構(gòu)各構(gòu)件在計(jì)算時(shí)段內(nèi)的疲勞累積損傷。根據(jù)Miner疲勞損傷準(zhǔn)則,把各個(gè)角度各個(gè)風(fēng)速下1401單元的損傷值相加,得到其總損傷值0.5335。由酒杯塔已使用的年數(shù)為21年,故其疲勞累計(jì)損傷使用年限為21/0.5335=39.363年。剩余使用年限為39-21=18年。計(jì)算結(jié)果在表2中給出。前一部分,在進(jìn)行輸電塔疲勞分析僅考慮風(fēng)荷載這一個(gè)因素,而忽視了由于鋼材安裝、浮冰、臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣作用累計(jì)損傷的影響,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)計(jì)算出的剩余年限值偏大,與實(shí)際情況存在一定的差距。為了更加準(zhǔn)確的反應(yīng)輸電塔因環(huán)境荷載引起的結(jié)構(gòu)疲勞損傷問題,根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件,將一次性強(qiáng)荷載作用情況(臺(tái)風(fēng)、覆冰、安裝等荷載工況)轉(zhuǎn)化為與風(fēng)荷載工況一致的分布概率和荷載譜,其中臺(tái)風(fēng)荷載按照每年2-3次,風(fēng)速33m/s,持續(xù)時(shí)間一般24小時(shí),最大考慮按48小時(shí)計(jì)算。覆冰荷載按照30年一遇設(shè)計(jì),覆冰厚度為5mm,一般持續(xù)時(shí)間一周。安裝荷載應(yīng)按10m/s風(fēng)速、無冰、相應(yīng)氣溫的氣象條件等,安裝時(shí)間為一個(gè)工作日。計(jì)算結(jié)果如表3所示。與表2結(jié)果對(duì)比可以看出,輸電塔在多種環(huán)境荷載作用下的疲勞壽命比單一風(fēng)荷載作用下的壽命要短,因此應(yīng)注重多環(huán)境因素作用下的疲勞損傷影響。然而這種風(fēng)荷載仍然是影響輸電塔結(jié)構(gòu)疲勞壽命的主要因素,粗略估算時(shí)可僅考慮這種荷載的影響。5塔線體系風(fēng)振-雨流法疲勞性能的未來研究思路本文基于線性疲勞累積損傷理論和斷裂力學(xué)理論,從時(shí)域方面討論了輸電塔風(fēng)振疲勞的計(jì)算方法,得到如下結(jié)論:(1)輸電塔結(jié)構(gòu)的時(shí)域疲勞分析可以遵循圖1所示的思路進(jìn)行,在給定材料性能的基礎(chǔ)上,考慮