基于时变可靠度的特高压输电塔结构设计与维护方法研究

In order to meet the needs of the economic development, the UHV transimission network system is being constructured in our country. The UHV transimission tower-line system belongs to lifeline engineering, It has many characteristics, such as high-rise structure, heavy loads, large span and high investment etc., the function of structural performane will be deteriorated and the reliablity will be time-varying after certain service life. Based on the lifecycle design concept, this project contain following four aspects:(1)stochastic process of resistance of the deteriorating member in towers considering the time-varying;(2)failure paths and failure modes of the transimission tower structure system;(3)failure paths and failure modes of the transimission tower-line structure system;(4)practical approach for analysis of the time-dependent transimission tower structural reliability, optimization of maintenance strategies and evaluation of remaining bearing capacity of existing tower structures. It is aimed that the practical approach for analysis of the time-dependent engineering structural reliablity, the reliablity theory and the maintenance strategy method for transimission tower-line system will be developed throgh the projcet, so as to provide theoretical basis and technological supports to the safty operating and maintenance for UHV transimission network in our country.

随着我国国民经济的发展，特高压电网在我国应运而生。特高压输电塔线体系是重要的生命线工程，具有塔体高、荷载重、跨度大和投资高等特点，在达到一定的使用年限后，输电塔的结构功能不断退化，其可靠度指标也逐渐降低。本项目基于全寿命设计理念，研究以下四个方面的内容：1.考虑功能退化的输电塔结构构件抗力随机过程；2.输电塔结构体系失效路径和失效模式； 3.输电塔-线体系的失效路径和失效模式；4.考虑结构功能退化的输电塔结构时变可靠度分析方法、维修制度优化和剩余承载力评定。通过本项目的研究，发展工程结构体系的时变可靠度实用分析方法、输电塔线体系的可靠度计算理论和维修决策方法，为保障我国特高压电网的运行安全和维护提供理论上的依据和技术上的支撑。

特高压输电塔线体系是风致振动敏感结构，疲劳损伤积累是其构件抗力退化的重要影响因素，而输电塔本身所处的酸雨大气环境加剧了疲劳损伤的发展。由于构件抗力不断退化，输电塔体系可靠度指标也逐渐降低。鉴于此，本项目围绕输电塔的时变可靠度分析理论尤其是体系可靠度分析理论展开研究。首先，开展了大量的角钢构件和标准试件在模拟酸雨大气环境和风致振动耦合作用下的腐蚀疲劳试验，基于试验数据建立了可用于输电塔构件腐蚀疲劳损伤的S-N曲线及相应的经验数理模型以及Q420高强钢随腐蚀疲劳损伤累积导致的抗力退化模型。其次，发展了系统的相关变量处理技术与统计矩估计方法，结合立方正态变换、鞍点近似等建议了时不变构件可靠度分析的矩方法，并将其拓展至多构件可靠度分析；再次，采用阶段临界强度分枝-约界法实现了杆塔结构的失效模式识别，并引入等价极值事件将其等效为单一等价功能函数，可由上述矩方法求解，避免了体系可靠度分析的相关失效问题；与此同时，分别基于非线性发展过程和安定理论进一步深化了单一等价功能函数的思路，分别基于矩方法和概率密度演化方法给出了可供选择的体系可靠度分析方法，经比较给出了选择建议；然后，将输电塔线体系视为由杆塔、绝缘子、金具和导地线组成的串联系统，采用界限法分析了局部线路的整体可靠度，讨论了绝缘子等对体系可靠度的影响；之后，结合时变抗力特性和建议的体系可靠度分析方法，发展了易行的时变体系可靠度分析方法，结合基于获得的腐蚀疲劳经验模型进行的时变损伤分析以及抗力退化模型，开展了输电杆塔的时变体系可靠度分析和剩余承载力分析。最后，以单一杆塔为对象，以时变体系可靠度为约束条件，采用遗传算法实现了输电塔结构的维修制度优化。项目研究成果将为我国特高压输电线路的全寿命运营、维护和管理提供了有益的参考。