摘要
±800 kV特高压长悬臂输电塔横担结构属于高位水平长悬挑结构,对竖向地震作用比较敏感,亟须开展横担结构的竖向地震易损性分析研究.鉴于此,提出一个考虑多重性能水准的特高压长悬臂输电塔横担结构竖向地震易损性分析框架.首先,以某特高压长悬臂输电塔为研究对象建立有限元模型,分析了结构的竖向动力特性;其次,根据横担结构根部主材的应力比建立横担结构轻微、中度和严重破坏时的多重性能水准;最后,基于概率地震需求模型对横担结构开展竖向地震易损性分析.分析结果表明:长悬臂输电塔在竖向地震作用下受高阶振型影响显著,对结构竖向响应贡献显著的前三阶竖向模态依次为第16、26和29阶模态;在竖向地震作用下,横担根部主材是横担结构的主要受力杆件;与考虑横担结构根部拉弯主材强度破坏相比,在给定竖向地震动强度下,考虑压弯主材失稳破坏的横担结构失效概率明显较大.
随着我国电力事业不断发展,特高压直流输电线路因具有远距离、低能耗和大容量等优势而受到广泛关
目前,国内外学者对特高压长悬臂输电塔已经开展了一定的研究.Tu
上述研究内容关注的是长悬臂输电塔的风致响应研究,而对其地震易损性方面的研究却鲜有涉及.在以往输电塔地震易损性的研究中,学者们主要关注的是输电塔整体结构的倒塌易损性分
鉴于此,本文以某±800 kV特高压长悬臂输电塔为研究对象建立了有限元模型,分析了结构竖向动力特性;依据规范生成竖向地震反应谱,从美国太平洋工程地震研究中心(PEER)数据
1 特高压长悬臂输电塔有限元模型及竖向 动力特性
本文以某±800 kV特高压直流输电线路工程中的长悬臂输电塔为研究对象,抗震设防烈度为8度,场地类别为Ⅱ类.长悬臂输电塔总高度81.5 m,呼高72.0 m,根开17.6 m,横担总长度51.0 m,单侧横担长23.2 m,结构的主材和斜材采用Q345钢材,辅材采用Q235钢材,均为等边L形角钢.

图1 长悬臂输电塔有限元模型及横担细部结构
Fig.1 Finite element model of long cantilever transmission tower and details of cross-arm structure
采用Block Lanczos

图2 长悬臂输电塔竖向有效质量参与系数
Fig.2 Vertical effective mass participation coefficient of long cantilever transmission tower
分析

图3 长悬臂输电塔竖向振型
Fig.3 Vertical vibration mode of long cantilever transmission tower
(a)f16=5.148 5 Hz (b)f26=8.512 8 Hz (c)f29=9.118 5 Hz
2 考虑多重性能水准的横担结构竖向地震 易损性分析框架
2.1 竖向地震动选取及地震动强度参数的确定
竖向地震动的选取对结构的动力响应分析起着决定性作用,由于地震动强度、频谱等特性的影响,不同竖向地震动所产生的地震响应会有很大差别.对于长悬臂输电塔横担结构的竖向地震易损性分析,选取20条地震动记录输入结构进行时程分析便可达到很高的精
基于《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016版)生成的竖向地震反应谱,从美国太平洋工程地震研究中心数据库中选取了20条实际竖向地震动记录,以考虑竖向地震动的不确定
所选取的竖向地震动均值反应谱与规范反应谱的对比如

图4 所选竖向地震动加速度反应谱
Fig.4 Acceleration response spectrum of selected vertical earthquakes
序号 | 地震动名称 | 发生年份 | 台站 | 震级 | 震中距/km | 剪切波速/(m· |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | Taiwan SMART1(45) | 1986 | SMART1 C00 | 7.30 | 56.01 | 309.41 |
2 | Landers | 1992 | Fort Irwin | 7.28 | 62.98 | 367.43 |
3 | Big Bear-01 | 1992 | Joshua Tree | 6.46 | 40.99 | 379.32 |
4 | Northridge-01 | 1994 | Huntington Beach-Lake St | 6.69 | 74.70 | 315.52 |
5 | Northridge-01 | 1994 | Playa Del Rey-Saran | 6.69 | 24.42 | 345.72 |
6 | Hector Mine | 1999 | Big Bear Lake-Fire Station | 7.13 | 61.85 | 406.70 |
7 | Hector Mine | 1999 | Pomona-4th & Locust FF | 7.13 | 143.36 | 384.44 |
8 | Hector Mine | 1999 | San Bernardino-Mont. Mem Pk | 7.13 | 104.95 | 358.92 |
9 | Chi-Chi_Taiwan-03 | 1999 | TCU040 | 6.20 | 68.23 | 362.03 |
10 | Chi-Chi_Taiwan-04 | 1999 | CHY070 | 6.20 | 88.91 | 265.45 |
11 | Chi-Chi_Taiwan-05 | 1999 | TAP041 | 6.20 | 147.34 | 363.56 |
12 | Chi-Chi_Taiwan-05 | 1999 | TCU098 | 6.20 | 95.44 | 346.56 |
13 | Taiwan SMART1(45) | 1986 | SMART1 I09 | 7.30 | 55.99 | 309.41 |
14 | Denali_Alaska | 2002 | Fairbanks-Univ of Alaska | 7.90 | 139.11 | 428.08 |
15 | Bam_Iran | 2003 | Mahan | 6.60 | 147.3 | 302.64 |
16 | Chuetsu-oki_Japan | 2007 | NIGH04 | 6.80 | 96.15 | 392.08 |
17 | Chuetsu-oki_Japan | 2007 | YMT005 | 6.80 | 171.83 | 192.29 |
18 | El Mayor-Cucapah_Mexico | 2010 | Ocotillo Wells-Veh. Rec. Area | 7.20 | 67.71 | 361.22 |
19 | Tottori_Japan | 2000 | EHM004 | 6.61 | 125.63 | 285.34 |
20 | Tottori_Japan | 2000 | HYGH10 | 6.61 | 128.51 | 223.87 |
目前结构地震易损性分析时使用的地震动强度参数IM较
2.2 横担结构多重性能水准的建立
现行输电塔结构设计一般采用塔顶位移或主斜材应力比作为标准要
(1) |
(2) |
式中:Mx和My分别为绕x轴和y轴的弯矩;Wx和Wy分别为绕x轴和y轴的截面模量;A和An分别为构件毛截面和净截面面积;fy为钢材的屈服强度;γR为钢材的抗力分项系数;η为杆件强度折减系数;φ为杆件稳定系数;mN为稳定强度折减系数;N为轴心拉力或压力;NEX为轴压系数,按
(3) |
式中:λx为杆件绕x轴的长细比.以上参数取值详见规
本文基于横担结构主要受力杆件强度破坏和失稳破坏的角度,选择横担主要受力杆件的应力比ξ作为横担结构的损伤指标.应力比定义为ξ=f/fR,其中f表示设计应力,fR表示许用应力.根据损伤指标应力比便可定性划分长悬臂输电塔横担结构的破坏状态及抗震性能水准,如

图5 长悬臂输电塔横担结构破坏状态与性能水准关系
Fig.5 Relationship between damage state and performance level of long cantilever transmission tower cross-arm structure
为了定量划分长悬臂输电塔横担结构的抗震性能水准,本文借鉴文献[
性能状态 | 破坏状态阈值 |
---|---|
轻微破坏状态 | LS1=50%×1.15=0.575 |
中度破坏状态 | LS2=75%×1.15=0.862 5 |
严重破坏状态 | LS3=100%×1.15=1.15 |
2.3 横担结构概率地震需求分析及易损性曲线的 建立
为建立长悬臂输电塔横担结构的竖向地震易损性曲线,需要对横担结构进行概率地震需求分析.长悬臂输电塔横担结构的概率地震需求分析模型反映了地震动强度参数IM与横担结构地震需求参数D的概率关系.Cornell
(4) |
对
(5) |
式中:a和b是回归分析得到的参数,IM代表PGA,D代表ξ,通过线性回归分析,拟合lnD与lnξ的线性回归曲线,可得到分析样本的对数标准差βD:
(6) |
式中:n是样本总数;ξi是第i个样本所对应的横担结构主要受力杆件应力比最大值.
在地震易损性分析中,一般假设结构的地震需求D与结构的抗震能力C服从对数正态分布,可知长悬臂输电塔横担结构的竖向地震易损性函数为:
(7) |
式中:Φ(·)是标准正态分布函数;LSi(i=1,2,3)是长悬臂输电塔横担结构的第i个性能状态值;βC是结构抗震能力的对数标准差,FEMA-P695建议取值0.2
2.4 横担结构竖向地震易损性分析流程
竖向地震易损性分析是一种从概率的角度来评估结构抗震性能的方法,即在给定的不同竖向地震动强度下,结构达到或超过不同性能状态的条件概率.根据上述建立的长悬臂输电塔横担结构的概率地震需求模型以及易损性函数,即可开展对横担结构的竖向地震易损性分析,其分析框架如

图6 长悬臂输电塔横担结构竖向地震易损性分析图
Fig.6 Vertical seismic fragility analysis diagram of long cantilever transmission tower cross-arm structure
步骤1 利用ANSYS有限元分析软件,建立长悬臂输电塔有限元模型.
步骤2 根据竖向地震规范反应谱,从PEER数据库中挑选出合适的20条竖向地震动,以反映结构所在场地的地震特性以及所选地震动的随机性,并确定合适的地震动强度参数.
步骤3 以长悬臂输电塔横担结构主要受力杆件的应力比定性及定量地划分横担结构的多重性能水准.
步骤4 以地面峰值加速度PGA为竖向地震动强度参数IM,对所选择的20条竖向地震动以0.2 g为步长进行调幅处理:0.2g,0.4g,…,2.0g,累计生成200个竖向地震-结构样本.对上述200个竖向地震-结构样本进行非线性时程分析,得到在不同竖向地震动强度下n(n=200)个应力比的最大值ξi(i=1,2,…,n).
步骤5 根据
步骤6 将回归分析结果与
步骤7 绘制长悬臂输电塔横担结构的竖向地震易损性曲线,并基于易损性曲线对横担结构开展竖向地震易损性评估.
3 结果分析
3.1 横担结构内力响应分析
本节选取2条竖向地震动[Taiwan SMART1(45)和Landers]及其3个不同地震动强度(0.2g、0.4g和0.6g)作为输入,开展了输电塔横担结构的内力响应分析,各个杆件应力最大值结果如

(a) Taiwan SMART1(45)_0.2g
(b) Taiwan SMART1(45)_0.4g
(c) Taiwan SMART1(45)_0.6g

(d) Landers_0.2g
(e) Landers_0.4g
(f) Landers_0.6g
图7 横担结构应力分布
Fig.7 Stress distribution for cross-arm structure
事实上,从横担结构本身设计出发,横担根部与输电塔塔身相连,横担结构所受荷载最终通过根部杆件传递到输电塔上,而根部主材是根部杆件中的主要受力杆件,若横担根部主材破坏,则直接引起横担结构的破坏.基于上述分析并结合
对200个竖向地震-结构样本进行非线性时程分析,以横担结构根部主材的应力比最大值的对数值 ln ξ作为纵坐标,地面峰值加速度的对数值lnPGA作为横坐标,即可分别获得长悬臂输电塔横担结构在根部拉弯主材强度破坏和根部压弯主材失稳破坏情况下的性能样本点,如

(a) 拉弯主材强度破坏

(b) 压弯主材失稳破坏
图8 横担结构性能样本点
Fig.8 Performance sample points for cross-arm structure
分析
3.2 横担结构竖向地震易损性分析
基于3.1节中长悬臂输电塔横担结构的分析结果,利用
破坏形式 | b | lna | βD |
---|---|---|---|
拉弯主材强度破坏 | 0.580 7 | -0.239 1 | 0.090 4 |
压弯主材失稳破坏 | 0.596 5 | 0.243 9 | 0.097 8 |
利用
基于横担结构拉弯主材强度破坏:
(8) |
基于横担结构压弯主材失稳破坏:
(9) |
分别将各PGA值代入

(a) 拉弯主材强度破坏

(b) 压弯主材失稳破坏
图9 竖向地震易损性曲线
Fig.9 Vertical seismic fragility curves
分析
4 结 论
本文以某±800 kV特高压长悬臂输电塔为研究对象,基于ANSYS有限元软件建立了有限元模型并分析了其竖向动力特性;判定了长悬臂输电塔横担结构的主要受力杆件,并以其应力比划分了横担结构的多重性能水准,继而结合概率地震需求模型,提出了一个考虑多重性能水准的特高压长悬臂输电塔横担结构竖向地震易损性分析框架.主要研究结论如下:
1) 长悬臂输电塔结构在竖向地震作用下受高阶振型影响显著,对结构响应贡献显著的前三阶竖向模态依次为第16、26和29阶模态,其对应的竖向有效质量参与系数依次为40.2%、20.1%和17.0%,且横担结构在第一阶竖向振型下变形最为显著.
2) 在竖向地震作用下,长悬臂输电塔横担结构的根部主材承受最大应力,是整个横担结构最先破坏的杆件.
3) 基于横担结构根部拉弯主材强度破坏和压弯主材失稳破坏得出的长悬臂输电塔横担结构竖向地震易损性曲线有显著差异,结果表明考虑压弯主材失稳破坏的横担结构失效概率明显较大.
本文虽提出了特高压长悬臂输电塔横担结构竖向地震易损性分析框架,但暂未考虑塔-线的非线性耦合振动对横担结构的影响.为使横担结构在地震作用下的响应更接近工程实际,在未来的工作中,可在现有研究基础上进一步考虑塔-线的非线性耦合振动对横担结构响应的影响.
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