【摘 要】
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随着特高压交流输电线路成为电网建设的热点,Q420B等高强钢已广泛应用于输电线路的建设,由于输电铁塔属于典型的风荷载敏感结构,且其日常风环境较恶劣,结构各构件在服役期内持续承受风振疲劳损伤和酸雨大气的耦合作用,导致其抗力不断下降,在服役后期可能无法达到设计时的安全标准,评估输电杆塔在服役后期遭遇极端偶遇荷载作用时的安全性具有重要的意义。鉴于此,本文从输电塔Q420B高强钢材料和构件的腐蚀疲劳试验、
【基金项目】
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国家自然科学基金项目(51478064)和(51678092)
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随着特高压交流输电线路成为电网建设的热点,Q420B等高强钢已广泛应用于输电线路的建设,由于输电铁塔属于典型的风荷载敏感结构,且其日常风环境较恶劣,结构各构件在服役期内持续承受风振疲劳损伤和酸雨大气的耦合作用,导致其抗力不断下降,在服役后期可能无法达到设计时的安全标准,评估输电杆塔在服役后期遭遇极端偶遇荷载作用时的安全性具有重要的意义。鉴于此,本文从输电塔Q420B高强钢材料和构件的腐蚀疲劳试验、剩余强度退化模型、体系可靠度分析方法三方面进行研究,建立了输电塔构件抗力退化模型和推导了输电塔体系可靠度分析方法,为后续相关研究提供了试验数据支持和理论分析基础。本研究主要包括以下几方面内容:(1)设计腐蚀疲劳耦合加载装置实现了腐蚀作用和疲劳荷载的同时施加,并分别针对输电塔用钢Q420B高强钢材料和考虑构件实际形状的角钢试件,进行了腐蚀疲劳寿命试验和腐蚀疲劳剩余强度退化试验,采用疲劳-腐蚀疲劳交替作用的试验方式更真实地模拟了输电塔构件的实际服役状态,并基于试验数据建立了Q420B高强钢材料和角钢试件在多种工况下的腐蚀疲劳寿命模型和测得了不同腐蚀疲劳损伤累积程度下的剩余强度退化数据,所得腐蚀疲劳寿命模型和剩余强度退化数据为后续研究拟合建立Q420B高强钢材料和角钢试件剩余强度退化模型提供了数据基础。此外,还对比了盐雾箱腐蚀液PH值和喷雾间隔方式对角钢试件的腐蚀疲劳寿命的影响。(2)对于剩余强度退化模型,首先,举例详细分析了经典模型在分析多级应力水平作用下的剩余强度退化规律时遇到的困难,再介绍了一种基于瞬时退化速度剩余强度退化模型,该模型可较好地应用于上述情形,然而该模型存在适用性和利用数据不充分等不足。鉴于此,本研究在该模型的基础上,引入新参数η和S0,提出了一种改进模型,改进模型适用性更广,且可充分利用SN曲线和剩余强度退化试验数据两方面信息,并给出了改进模型基于不同类型信息的参数拟合方法。然后,基于已有试验数据和本研究试验数据验证了改进模型的准确性和可行性,并比较了基于不同类型信息时改进模型的剩余强度拟合效果。最后,根据本研究的腐蚀疲劳试验数据和推导的改进剩余强度退化模型建立了Q420B高强钢材料和角钢构件剩余强度退化模型。(3)对于体系可靠度分析方法,首先,针对相关变量的处理,通过严格的理论推导和证明建立了三种概率信息不完全系统下基于Mehler公式的等效相关系数求解统一代数方程,并引入线性参考变量和合理截断项数确定方式,建立了一种具有较高效率的等效相关系数简化计算方法。然后,针对已有体系可靠度分析方法不能适用于随机变值静力荷载作用情形,引入安定理论,以安定状态作为极限状态定义了整体可靠度概念,再结合概率密度演化理论建立了一种可考虑变量相关性的复杂杆系结构在变值静力荷载作用下整体可靠度的实用、高效分析方法。值得说明的是,由于定值静力荷载为变值静力荷载中的一种特殊情况,本研究推导的整体可靠度分析方法亦可直接适用于定值静力荷载作用下的经典体系可靠度问题。最后,考虑到工程结构通常存在抗力退化现象,通过引入包含时变分布参数的抗力退化模型和等价极值事件,将前述杆系结构整体可靠度分析方法拓展至时变可靠度分析范畴。(4)综合利用前述研究建立的剩余强度退化模型和时变整体可靠度分析方法,对某输电塔算例进行了时变整体可靠度分析,首先,对结构进行风振时程分析;然后,根据风振时程分析的结果和前述推导的输电塔Q420B角钢构件剩余强度退化模型建立了输电塔各构件的抗力退化模型,并考虑了纯腐蚀作用的修正;最后,根据各构件的抗力退化模型和前述时变整体可靠度分析方法计算了该输电塔在给定偶遇荷载作用下的时变整体可靠度,并比较了其在不同长度时段下的变化趋势,以实例阐明了按建议方法建立结构的构件抗力退化模型及其时变整体可靠度分析的完整思路。最后,简要归纳了本文的主要结论和主要创新点,并对后续研究方向进行了讨论。
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