下击暴流作用下输电塔倒塌研究

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高耸输电塔结构是生命线工程的重要组成部分,对风荷载敏感。多年来,国内外,特别是我国,高耸输电塔的倒塌事故至今仍每年都有不少发生,并已带来了巨大的负面影响和经济损失。因此,研究强风荷载下输电塔倒塌破坏机理,确保风力作用下输电线路的正常工作,防止此类事故的发生成为当前国家建设的重中之重的任务。本文以汉江大跨越输电塔工程为研究背景,系统地研究了引起输电线塔倒塌下击暴流强风荷载模型,输电塔线的风振响应,输电塔杆件失稳破坏模型、强风荷载作用下输电塔结构的倒塌破坏过程。  下击暴流强风荷载是输电塔结构倒塌破坏的重要原因。在对下击暴流特征的研究基础上,本文采用确定性时变过程描述下击暴流平均成分,用调幅的随机过程描述下击暴流的脉动成分,据此编写了下击暴流风速模拟程序,计算了不同高度的风速时程和不同节点处的下击暴流强风荷载时程,以及计算了壳单元接触部分的风压,为输电塔结构分析提供了强风荷载的模型。  在研究了强风荷载模型的基础上,本文研究了输电塔线耦联体系的有限元模型建立方法,分析了塔线耦合体系的动力特性,研究了输电线对输电塔结构动力特性的影响。编写了输电塔线体系有限元模型分析的程序,成功实现了对输电塔的动静力响应分析,为输电塔倒塌程序自编程开发奠定了基础。  建立了壳单元失稳构件有限元模型,通过对失稳构件的理论和数值分析,得到不同杆件在固定杆端弯矩条件下的失稳曲面和失稳过程中轴向刚度的退化过程;计算了不同的循环荷载条件下,失稳构件的滞回曲线。考虑到在实际荷载中杆件受到的轴力和杆端弯矩是不断变化的,其刚度随之变化规律十分复杂,不能用一个简单的曲面关系表示,难以得到一个明确的经验公式,本文提出了直接在有限元中考虑失稳构件的方法,即用壳单元建立可以描述失稳的主杆构件,基于有限元分析程序不同尺度模型之间的耦合技术将基于壳单元建立的失稳构件和基于梁系单元建立的输电塔整体模型组装成多尺度有限元分析模型,研究下击暴流强风荷载作用下输电塔构件动力失稳倒塌的过程,得到了输电塔倒塌过程中失稳构件的应力分布规律、塑性区域扩展以及构件的变形特征。  为解决梁-壳单元全部考虑失稳构件计算耗时问题,本文编制了考虑失稳构件单元的非线性动力计算程序,研究了下击暴流强风荷载作用下输电塔失稳倒塌的过程,实现了输电塔倒塌过程中构件的失稳时刻和顺序的全过程模拟。  本文研究了下击暴流不同参数下的风速时程特征,计算了不同下击暴流荷载下输电塔的倒塌过程,分析了不同参数的下击暴流强风荷载作用下输电塔首先失稳构件的部位以及塔身失稳构件的先后顺序,充分研究了下击暴流荷载参数对输电塔结构破坏机理和破坏过程的影响。
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