多场耦合作用下输电塔线体系抗风可靠度研究

Based on these research methods, such as experiment, theoretical derivation, simulation and so on, Wind-resistant reliability of transmission tower-line coupled system was deeply studied under multi-field coupling. Firstly, according to the meteorological data, the fatigue load random model and atmospheric environment model were proposed. And then, based on the damage experiment of member or section of transmission tower under these atmospheric environment models, the formation and development of dynamics process and crack was researched, and the environment damage development model was proposed. At the same time, through the equivalent extreme events and adaptive response surface method, the system reliability of tower line system was proposed. At last, considering with the random of environment and structure parameters, the reliability of transmission tower-line system under multi-field coupling was studied. Based on the research, a design method of transmission tower-line system was also proposed.

本项目拟采用试验测试、理论推导和数值模拟等方法，对输电塔线体系在大气环境作用下的抗风可靠度进行深入研究。首先，根据目标地区的风场、温度场、湿度、大气污染物组成和酸雨的降雨量及频度等气象数据，利用统计学和概率论知识，建立大气环境作用模型，并结合试验技术和规程给出相应的损伤试验方法；然后，基于环境作用模型对输电塔体的构件或塔段展开腐蚀、风致疲劳、腐蚀疲劳和高、低温疲劳等损伤试验研究，由试验结果采用损伤力学和断裂力学理论，建立以结构基本参数为变量的损伤模型，分析多场耦合损伤对结构参数的影响规律，获取各场的耦合途径、耦合强度和耦合机理；最后，根据多场耦合损伤模型，将环境损伤发生及发展的随机性与结构几何参数、物理参数的随机性相结合建立复合随机系统模型，基于该模型采用可靠度理论分析输电塔线体系抗风可靠度随大气环境场耦合损伤的变化规律，建立可靠度性能水准量化模型，形成基于性能水准的抗风可靠度设计理论。

输电塔线体系在服役期间长期暴露于严酷的自然环境中，承受持续、交变风荷载作用，致使腐蚀疲劳、高低温疲劳等多场耦合损伤是输电塔线体系可靠性研究中不可避免的问题。本项目采用试验、理论推导和数值模拟等方法，对输电塔线体系在大气环境作用下的抗风可靠度进行了深入研究：（1）对目标地区气象局提供的降雨时间数据、最大风速值和相应风向记录等气象数据进行统计分析，利用乘法定理建立了环境作用的混合分布概率模型，为后续输电塔体的材料或构件损伤试验提供依据。（2）对不同腐蚀损伤或高温后的Q345、Q420钢材展开了基本力学性能和疲劳性能研究，给出了不同腐蚀损伤工况下材料的本构关系，观察了不同损伤工况后Q345钢材疲劳断口的宏观、微观变化特征，分析了疲劳寿命随腐蚀损伤的变化规律，建立了不同腐蚀损伤Q345钢材的概率S-N曲线模型。（3）研究了腐蚀损伤对输电塔体角钢和钢管构件的疲劳性能、冲击动力特性的影响规律，建立了角钢构件的S-N曲线模型；对不同腐蚀损伤的Q345、Q420等边角钢和钢管进行了爆炸毁伤和落实后冲击试验，分析了腐蚀损伤对塔体构件抗冲击性能的影响。（4）基于等价极值事件和自适应响应面法，建立了输电塔线体系的动力可靠度分析方法，分析了腐蚀损伤、风致疲劳对输电塔线体系抗风可靠度的影响规，提出了输电塔线体系的风振动力可靠度计算方法。（5）借鉴基于性能的抗震设计理论，结合灾害实例对塔线体系中输电塔的破坏形式和失效规律进行分析，以塔顶位移和局部变形为性能目标，给出了塔体结构抗风性能4阶段水准的定性描述；根据试验和规范确定出输电塔的性能水准量化模型，再利用有限元法建立检验量化取值合理与否的力学模型，综合二者给出既满足规范要求又便于工程设计需要的输电塔性能水准量化模型，对输电塔线体系展开了基于性能水准的抗风可靠度研究。