考虑节点腐蚀疲劳的输电杆塔可靠度分析

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随着我国电网的蓬勃发展,高强钢输电塔的应用已成为必然趋势,其结构安全的重要性也日益明显。输电塔在实际服役过程中,由于酸雨和风力等的作用,实际处于疲劳-腐蚀疲劳交替的自然环境中,但是,目前的输电塔结构设计,对服役状态的自然环境考虑不足,以及设计时只注重建设期强度安全,这是导致输电塔体倒塌的重要因素之一,同时,输电塔节点的在整个结构中的数量众多且重要性极强,但是目前关于钢节点的腐蚀疲劳试验研究多集中于海洋工程、飞机件结构等领域,而这些研究由于节点形式及腐蚀环境的区别,无法适用于输电塔结构,同时关于输电塔节点的腐蚀疲劳研究基本空缺,因此,有必要对高强钢输电塔节点在实际服役状态下的腐蚀疲劳性能以及结构安全可靠性进行研究。本文通过试验及可靠度理论研究,对考虑节点腐蚀疲劳的输电杆塔可靠度进行分析,主要包括三个方面:一是对Q420钢螺栓节点及焊接节点在输电塔实际服役环境中的腐蚀疲劳性能进行研究;二是提出了新的可靠度分析矩方法;三是通过Ansys数值模拟实现了考虑节点腐蚀疲劳的输电杆塔损伤可靠度分析。主要研究内容和结论如下所示:1)提出了疲劳-腐蚀疲劳工况下螺栓连接件及焊接连接件的S-N曲线及P-S-N曲线模型。2)应力水平的大小对节点试件的破坏形态影响较大。试件的破坏整体表现为脆性破坏,试件断口分为裂纹扩展的齐整部分和有局部塑性破坏特征锯齿状部分,应力水平越小,裂纹扩展导致的齐整部分越大,锯齿状部分越小,局部塑性破坏特征越不明显,试件的脆性破坏越显著。3)腐蚀环境对试件的疲劳寿命有影响。随着应力水平的减小,纯腐蚀环境相比间断性腐蚀环境对疲劳寿命减少的影响更显著。4)螺栓连接件的腐蚀疲劳性能优于焊接连接件。由于螺栓连接的紧固力会增加节点的腐蚀疲劳寿命,而焊接连接件在加工过程中会在焊接钢材的热影响区产生缺陷,从而减少其腐蚀疲劳寿命。综合考虑实用性、加工方便性、经济性及安全性,本文建议角钢输电塔采用螺栓连接方式。5)提出了一种新的降维近似模型—具有一般性的理性混合降维近似模型,并发展了基于理性混合降维近似模型的统计矩点估计法以及可靠度分析矩方法,最后通过数值算例及工程算例分别验证了其合理性和适用性。6)实现了基于节点腐蚀疲劳破坏为结构失效准则的损伤可靠度分析,并验证了该方法的可行性。
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