考虑锈蚀影响的钢结构输电塔抗风性能评价

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输电塔是通过节点板和螺栓连接等边角钢或者钢管而组成的高耸桁架钢结构。而我国东南沿海地区常年受东亚季风(良态风)和西北太平洋台风影响,对于输电塔这种风敏感结构,其抗风性能的研究一直是一个重要的关注点;东南沿海地区除了常年受强风影响,其海洋大气环境以及工业大气环境会腐蚀钢结构输电塔,造成其承载能力下降。基于以上荷载端以及结构端这两方面对输电塔服役期的影响,本文分析了宁波地区混合风环境(良态风和台风,下文均用混合气候表示),预测了宁波地区碳钢大气腐蚀深度,利用数值模拟手段对宁波地区锈蚀输电塔进行抗风性能评价。主要包括以下四个方面:(1)考虑混合气候风向相关性的建设场地风气候评估以宁波地区为例提出了一种考虑混合气候风向相关性的多风向极值风速估计方法,以此更加准确地估计该地区混合气候下输电塔建设场地的结构设计风速。首先,采用经验全路径模拟的方法获得了宁波地区600年的台风风速样本,其中风场模型选择的是Yan Meng模型;基于宁波气象站的实测数据,删除台风样本后获得良态风的风速样本。然后,将台风和良态风风速样本归类到各风向,建立混合气候极值风速边缘分布模型。最后,采用Copula函数建立宁波地区风速风向联合分布模型,进而得到宁波地区混合气候考虑相关性的多风向极值风速估计值。(2)大气环境下碳钢腐蚀深度预测基于世界范围内碳钢不同大气环境(海洋大气、工业大气、城市大气、农村大气、城市-海洋大气和工业-海洋大气)暴露试验的腐蚀数据,得到不同大气环境下碳钢腐蚀深度长期预测模型;基于宁波各地区环境气候,根据碳钢腐蚀深度长期预测模型,得到宁波地区大气环境碳钢长期腐蚀深度预测值,为输电塔腐蚀发展情况提供借鉴。(3)锈蚀钢结构输电塔风振响应分析利用ANSYS建立了ZM4直线型输电塔有限元模型,其中,基于第三章大气环境碳钢腐蚀深度的预测,考虑大气环境腐蚀对输电塔角钢构件截面缩减的影响;另外,以第二章混合气候风向2(最大风速所在风向)下50年一遇的极值风速为设计风速,基于MATLAB采用谐波叠加法生成了脉动风速时程并转换得到风荷载时程,将其加载到输电塔有限元模型进行风振响应分析。讨论了风向角、设计风速、大气环境腐蚀以及服役年限对风振响应的影响。(4)锈蚀钢结构输电塔风灾易损性分析基于第三章建立的碳钢大气腐蚀深度预测模型,选取腐蚀最严重的海洋-工业大气环境下的输电塔结构为研究对象。首先,模拟得到大量风荷载时程,对各服役年限的输电塔结构进行增量动力时程分析(IDA),进而得到风荷载作用效应函数。另外,对上述模型进行Pushover分析,得到各模型能力曲线,确定结构各极限状态的限值。基于以上两种分析结果,进一步对结构进行风灾易损性分析,建立宁波地区海洋-工业大气环境下不同服役年限钢结构输电塔的风灾易损性曲线。
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