输电塔-线体系抗连续倒塌能力及鲁棒性设计方法研究

Transmission tower structure systems, high-rise towers and large span structures have several similar characteristics: high tower body, large span, high flexibility. Transmission tower-line systems are very sensitive to particular loads such as loads happened when grounding lines suddenly break. In extreme condition, dynamic collapse can easily occur, which will cause Taddeo Mino domino collapse which results in the failure of the whole line system. For the purpose of completing the theory of the resistant progressive collapse of the transmission tower systems, this research proposes a resistant progressive collapse method of the transmission tower systems considering the 3-D overall effect and puts emphasis on the robustness and resistant progressive collapse ability when tower systems subject to broken loads of the ground lines. The following three aspects will be included:. (1) Experimental study on resistant progressive collapse performance of transmission tower considering 3-D overall effect will be conducted. On the basis, evaluation criterion on transmission tower systems progressive collapse will be accomplished.. (2) Nonlinear finite element analysis on transmission tower systems. Considering initial state and dynamic reaction, progressive collapse mechanism of transmission tower systems will be studied.. (3) On the basis of the semi-rigid connection theory and the energy dynamic catastrophe method, robustness design method of the transmission tower-line systems will be accomplished.

输电塔结构体系具有塔体高、跨距大、柔性强等高耸塔体和大跨度结构的共同特点，输电塔-线体系对导（地）线断线荷载的反应敏感。在极端条件，容易发生动态倒塌破坏，导致输电塔多米诺骨牌式地倒塌,使整条线路瘫痪。为了进一步完善输电塔塔线体系抗连续倒塌分析理论，提出一种考虑三维整体效应的塔线体系抗连续倒塌理论计算方法，本项目对断线荷载作用下输电塔-线体系的抗连续倒塌能力及其鲁棒性设计方法进行研究。主要包括三方面的工作：.（1）输电塔塔线体系连续倒塌三维整体效应的试验研究。在此基础上，进一步完善输电塔线体系连续倒塌评价准则。.（2）输电塔线体系连续倒塌非线性有限元分析。对考虑初始状态及动力效应的输电塔线体系连续倒塌破坏机理进行深入研究。.（3）根据能量动力灾变分析方法，结合半刚性连接理论，完善输电塔-线体系的鲁棒性设计方法。

在现有结构抗连续倒塌的分析以及设计方法基础上，阐述了国内外抗连续倒塌相关规范，分析了输电塔—线体系的动力特性，基于隐式算法对断线作用下体系的动力效应进行了模拟，在对杆塔支座反力、主材应力、塔顶最大位移等分析的基础上确定了基于位移控制和内力控制的断线最不利工况。同时，对体系进行了非线性静力和非线性动力分析，确定了输电塔—线体系断线作用下动力放大系数的取值范围。基于输电塔主材应力、斜材应力、塔顶位移等确定了耐张塔主要破坏形式：弯曲破坏和扭转破坏。提出了导（地）线张力衰减系数和杆塔张拉系数，并通过断线后各档导（地）线张力变化和各档总张力变化分析了导（地）线张力衰减的过程。 . 基于导（地）线张力、后续直线塔位移、应力、破坏程度分析了耐张塔破坏对体系的影响程度，结果表明：耐张塔破坏会导致后续直线塔不平衡张力增大，从而发生直线塔破坏甚至连续性倒塌。基于能量法，对体系各组件的应变能、动能进行了时程分析，得出了体系失效是导（地）线应变能和重力势能转化为体系动能和其他组件（输电塔、绝缘子串等）应变能的过程，明确了能量流传递路径。在此基础上对输电塔—线体系的鲁棒性进行了定义，提出了用于评估输电塔及塔—线体系的鲁棒性指标。. 建立了包含不同数量直线塔的塔线体系有限元模型，分析了断线侧输电塔在断不同根数导线时的断线动力效应，引入基于轴力的冲击系数公式，分析了断四根导线时断线侧输电塔主要杆件的断线冲击效应，确立了断线冲击最大的杆件位置。在此基础上，改变塔线体系模型中未断线档输电塔的侧向刚度、线路档距、线路转角及悬挂点高差等参数，分析了断四根导线时，一个耐张段内各参数对断线侧输电塔断线动力效应的影响。同时，研究了某根导线断裂后，断线档其他导（地）线相继拉断，断线侧输电塔倒塌的全过程，并分析了相邻档输电线张力的衰减规律。在试验及理论分析的基础上，确立了输电塔倒塌过程中主要节点及杆件的失效路径和破坏模式，提出了提高失效主材设计要求的建议。