高压输电塔地震作用下的连续性倒塌分析.pdf

《高压输电塔地震作用下的连续性倒塌分析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

第4O卷第3期四川建筑科学研究2014年6月SichuanBuildingScience157高压输电塔地震作用下的连续性倒塌分析林清海，王文明，曹丹京，金树，田利，王磊(1．山东电力工程咨询院有限公司，山东济南250013；2．山东大学土建与水利学院，山东济南250002；3．四川省建筑科学研究院，四川成都610081)摘要：利用大型有限元分析软件ABAQUS和开发的子程序，分别对某输电塔进行了单向地震作用和三向地震作用下的连续性倒塌分析，研究了输电塔的薄弱部位和连续性倒塌全过程。分析结果表明，采用编制的子程序可以确定输电塔的薄弱部位，可以清晰地得到输电塔在地震作用下的连续性倒塌全过程，输电塔在三向输入作用下更容易发生倒塌。关键词：高压输电塔；连续性倒塌分析；地震作用中图分类号：TU312．3文献标志码：A文章编号：1008—1933(2014)03—157—05Progressivecollapseanalysisofhigh-voltagetransmissiontowerunderearthquakeactionLINQinghai，WANGWenming，CAODanjing，JINShu，TIANLi，WANGLei(1．ShandongElectricPowerEngineeringConsultingInstituteCorporationLimited，Jinan250013，China；2．SchoolofCivilandHydraulicEngineering，ShandongUniversity，Jinan250002，China；3．SichuanInstituteofBuildingResearch，Chengdu610081，China)Abstract：ByusingthefiniteelementprogramABAQUSandcodedsubroutine，theprogressivecollapseanalysisofatransmissiontowerunderunidirectionalinputandthree—componentexcitationisconducted．Thevulnerablepointandprogressivecollapseprocessarestudied．Theresultsshowthatthevulnerablepointoftransmissiontowercanbedetermined，andtheprogressivecollapseprocesscanbeobtainedclearlywiththecodedsubroutine．Thetowerismorepronetocollapseunderthree—componentexcitation．Keywords：high—voltagetransmissiontower；progressivecollapseanalysis；earthquakeaction断裂、基础破坏和绝缘子破坏是主要的破坏形0引言式_1。因此，研究高压输电塔在地震作用下的灾变随着我国经济的迅速发展，电力工业在近几十机理和灾变过程具有重要意义。年来发生了巨大变化。原苏联和日本分别于1985近几十年，国内外很多学者研究了输电塔在地年和1992年建成1150kV和1000kV的超高压输震作用下的响应。李宏男等研究了大跨越输电电线路，之后，各国纷纷进行建设。目前，高压和超塔的动力特性，岳茂光等研究了输电塔一线体系高压输电线路成为电力供应的主要发展模式。输电在行波激励下的纵向地震响应，田利等研究了输塔一线体系是电能输送的载体，在地震中一旦发生破电塔一线体系在多点激励下的侧向地震响应，沈国辉坏，不仅会造成重大的经济损失，还会对人们的生活等8研究了大跨越输电塔在地震作用下的响应。带来不便。在历次大地震中，均有输电线路发生不在以上的研究中，均未考虑材料的非线性。近十年同程度破坏的现象，输电塔破坏或倒塌、导(地)线来，国内外学者对输电塔进行了弹塑性分析。李宏男等采用导(地)线简化为节点质量的方法，对不同类型输电塔的塑性极限状态进行了研究。王文收稿日期：2014-01—15作者简介：林清海(1963一)，男，山东威海人，高级工程师，主要从事明¨等研究了材料的应变率效应对输电塔和导输电线路设计与研究工作。(地)线响应的影响。Albermani【】提倡对输电塔进通讯作者：田利(1982一)，男，山东枣庄人，博士(后)，讲师，主要从事结构抗震研究。行弹塑性分析，通过弹塑性分析可以对输电塔的设基金项目：国家自然科学基金项目(51208285)；中国博士后科学基计进行修改和改进，从而提高输电塔的性能。王文金项目(2012M521338)E—mail：tianli@sdu．edu．cn明等编制了ABAQUS软件的连续性倒塌分析子 l58四川建筑科学研究第4O卷程序，对某输电塔一线体系进行了地震作用下的连续可以追踪裂缝开展情况。然而，该方法需要专门的性倒塌分析，研究了输电塔在地震作用下的灾变过计算软件，尚未得到广泛应用。程。以上提到的各种数值分析方法均有优点和缺目前为止，关于输电塔连续性倒塌的研究很少。点，其中有限单元法易于被设计人员掌握，应用最为本文采用文献[12]编制的子程序，分别对某输电塔普遍。各国学者一直不断对其进行改进，具有更为进行单向地震作用和三向地震作用下的连续性倒塌广阔的应用前景。因此，本文对输电塔进行连续性分析，研究了输电塔在地震作用下的连续性倒塌全倒塌分析时采用有限单元法。过程和地震动输入方式对输电塔连续性倒塌的影2ABAQUS连续性倒塌分析子程序响。ABAQUS有限元分析软件提供了子程序接口，1连续性倒塌分析方法简介用户可以根据自己的需求编制子程序。文献[10]结构的连续性倒塌是指结构由于外界作用(如编制了可用于输电塔一线体系的连续性倒塌分析子地震、风和爆炸等)造成结构的局部破坏，并导致结程序。在子程序中，根据材料的状态和失效准则对构产生连续的破坏发展，使结构的大部分或全部发单元的状态进行实时控制。该子程序采用的本构关生坍塌。结构连续性倒塌的数值模拟是当前充满挑系如图1所示，在分析过程中，如果构件材料的应变战的课题之一，其中涉及几何非线性和材料非线性、达到极限应变，则认为该构件丧失承载能力。单元问的接触和碰撞以及结构的稳定性等诸多问题。结构的连续性倒塌分析数值方法主要包括离散单元法、有限单元法、有限单元一离散单元组合方法和应用单元法，下面对其进行简要介绍。|￡v￡u离散单元法是一种非连续介质数值方法，该方法于1971年由Cundall提出”。该方法的基本思想是把不连续体离散为刚性元素的集合，允许刚性图l钢材的本构关系Fig．1Constitutiverelationshipofsteel单元之间发生相对运动和碰撞，无需刻意满足位移连续条件，尤其适合于大位移和大变形的非连续介单调加载时，钢材的应力一应变曲线关系按下式质问题的求解。确定：有限元法是在当今工程分析中获得最广泛应用E≤的数值计算方法。根据每一步内计算新的反应值是rv否依赖于本步有关的反应值，有限单元法可以分为={【≤≤占(1)隐式有限单元法和显式有限单元法¨。显式算法o>8不需要迭代和收敛准则，稳定性是有条件的，每个增式中，s和为应变和应力；E为弹性模量；和量步的计算成本很低，能够比较容易地分析复杂接分别为屈服应变和屈服强度；为极限应变，本文触问题，更适合于结构的连续性倒塌分析。取为0．02。有限单元一离散单元组合方法于1995年由Mu—反复加载时，钢材的应力一应变关系按下列公式njiza提出¨，该方法结合了有限单元法和离散单元确定：法的优点，已被用于一些工程问题。然而，对于不同=r，+E(一)(2)的工程问题，该方法需要特定的算法¨，该方法尚式中，为卸载点的应力；s为卸载点的应变。未被用于大型、复杂结构的连续性倒塌分析。3分析模型20世纪90年代末，Meguro和Tage1Din引提出了一种新的数值分析方法，称为应用单元法。该采用的输电塔模型如图2所示，塔体高度为方法的基本思想是将结构划分为一些微元体，各微60．5m，呼高为45m，基础底宽为10．16m。输电塔元体通过多对轴向弹簧和剪切弹簧相连，微元体为主材、斜材和辅材分别采用Q345和Q235的角钢，材刚体，不发生变形，结构的变形集中在连接弹簧上。料的参数见表1。输电塔的每根构件划分为一个单应用单元法计算效率和精度较高，而且采用该方法元，单元类型为B31，输电塔杆件的截面信息见表2。 2014No．3林清海，等：高压输电塔地震作用下的连续性倒塌分析161向输入。[11]AlbermaniF，KitipornchaiS，ChartRWK．Failureanalysisoftransmissiontowers[J]．EngineeringFailureAnalysis，2009，16参考文献：(6)：1922—1928．[12]WangWenming，LiHongnan，TianLi．Progressivecollapseanalysis[1]李宏男，白海峰．高压输电塔一线体系抗灾研究的现状与发展oftransmissiontower—linesystemunderea~hquake[J]．Advanced趋势[J]．土木工程学报，2007，40(2)：39-46．SteelConstruction，2013，9(2)：161—172．[2]童林旭．城市生命线系统的防灾减灾问题：日本阪神大地震生[13]王文明．考虑应变率效应的结构抗震分析方法研究[D]．大命线震害的启示[J]．城市发展研究，2000(3)：8—12．连：大连理工大学，2013．[3]谢强，李杰．电力系统自然灾害的现状与对策[J]．自然灾[14]CundallPA，StractODL．Adistinctnumericalmodelforgranular害学报，2006，15(4)：126—131．assemblies[J]．Geotechnique，1979，29(1)：47-65．[4]张子引，赵彪，曹伟炜，等．四川汶川8．0级地震电网受灾情[15]SunJS，LeeKH，LeeHP．Comparisonofimplicitandexplicit6-况调研与初步分析【J]．电力技术经济，2008，20(4)：1-4．niteelementmethodsfordynamicproblems[J]．JournalofMaterial[5]李宏男，王前信．大跨越输电塔体系的动力特性[J]．土木工程ProcessingTechnology，2000，105(1-2)：l10—118．学报，1997，30(5)：28-36．[16]MunjizaA，OwenDRJ，BicanicN．Acombinedfinite—discreteele—[6]岳茂光，李宏男，王东升，等．行波激励下输电塔一导线体系纵mentmethodintransientdynamicsoffracturingsolids[J]．Engi—向地震反应分析[J]．中国电机工程学报，2006，26(23)：145—neefingComputions，1995，12(2)：145—174．150．[17]PaavilainenJ，TuhkuriJ，PolojarviA．2Dcombinedfinite—discrete[7]田利，李宏男，黄连壮．多点激励下输电塔一线体系的侧向地elementme~odtomodelmulti-fractureofbeamstructures[J]．En—震反应分析[J]．中国电机工程学报，2008，28(6)：108一l14．gineeringComputions，2009，26(6)：578-598．[8]沈国辉，孙炳楠，何运祥，等．大跨越输电塔线体系的地震响应[18]MegumK，Tagel-DinH．Appliedelementmethodforstructurala—研究[J]．工程力学，2008，25(11)：212-217．nalysis：theoryandapplicationforlinearmaterials[J]．StrnctEn·[9]李宏男，胡大柱，黄连状．地震作用下输电塔体系塑性极限状grg．／EarthquakeEngrg，2000，17(1)：21-35．态分析[J]．中国电机工程学报，2006，26(24)：192—199．[19]MeguroK，Tagel—DinH．AppliedelementsimulationofRCstruc·[10]WangWenming，LiHongnan，T』iuGuohuan，eta1．Strainrateeffectturesundercylicloading[J]．Journalofstructuralengineering，ontransmissiontower-linesystemunderea~hquakeaction[J]．Ad—2001，127(11)：1295-1305．vancedMaterialsResearch．2O11．243-249：5845．5848．(上接第151页)2005：182-186．[4]张民庆，彭峰．地下工程注浆技术[M]．北京：地质出版社，2)拱顶过砂层段的施工，关键是固砂止水，把2008：64-76．地下水封堵在开挖轮廓以外，并在拱部和掌子面形[5]邝健政，昝月稳，王杰，等．岩土注浆理论及工程实例[M]．成一定强度的固结体，控制围岩变形。北京：科学出版社，2001：97—112．3)控制隧道拱顶过砂层段的沉降，关键在于提[6]施仲衡，张弥，王新杰，等．地下铁道设计与施工[M]．西安：高帷幕注浆固结体的强度，在有限元数值模拟中也科学技术出版社，1997：256-266．直接反映了这一点，注浆加固体的强度对沉降计算[7]关宝树．隧道施工要点集[M]．北京：人民交通出版社，2003：224-235．结果影响较大。[8]张民庆，卓越，韩忠存，等．广州地铁杨体区间饱和含水砂层4)青岛地铁3号线为青岛首条城市地铁线路，施工[J]．世界隧道，1998(6)：53-56．本段区间隧道拱顶过砂层段的工程实践，将为后续[9]卓越，韩忠存．广州地铁动水砂层注浆施工技术[J]．地下工类似区间隧道设计提供有益借鉴和参考。程与隧道，1999(1)：30．35．[1O]陈建桦．广州地铁5号线珠猎区间砂层加固设计施工技术参考文献：[J]．西部探矿工程，2009(1)：154—156．[11]曹红林．地铁矿山法隧道过砂层的设计与施工[J]．现代隧道[1]JTGD70-2004公路隧道设计规范[s]．技术，2009，46(3)：66-70．[2]王梦恕．地下工程浅埋暗挖技术通论[M]．合肥：安徽教育出[12]张民庆，张文强，孙国庆．注浆效果检查评定技术与应用实例版社，2004：362．366．[J]．岩石力学与工程学报，2006，25(增2)：3909~918．[3]崔玖江．隧道与地下工程修建技术[M]．北京：科学出版社，