输电塔结构是输电塔线路的重要组成部分,一旦发生倒塌破坏,就会造成供电系统的中断,给经济和社会带来严重的影响。然而,根据统计,我国每年都会发生大量的输电塔倒塌事故。输电塔结构特点是柔性大,阻尼小,是典型的风敏感结构。为了更有效地对输电塔结构进行分析和设计,本文将采用结构多尺度方法对输电塔结构的力学行为和性能进行研究。结构多尺度方法是近年来结构分析领域的热点和前沿。结构多尺度方法对输电塔结构局部关心部件采用实体单元或壳单元建立精细模型,对其余杆件建立整体尺度的梁模型。因此,结构多尺度方法可以在输电塔整体模型中考虑局部节点板和螺栓连接,进行多尺度分析可以同时获得结构的整体响应和局部关心部件的响应,包括局部节点板的应力响应。为了实现输电塔结构的多尺度分析和设计,本文主要进行了以下五个方面的研究工作:(1)结构多尺度建模的界面耦合方法研究。界面耦合方法对结构多尺度计算精度有很大的影响。为了保证结构多尺度模型界面耦合处的位移协调和应力平衡,提出了一种新的基于约束方程的界面耦合方法。根据界面虚功平衡方程建立了界面耦合的节点力和位移约束方程关系。给出了利用界面刚度矩阵建立约束方程的数值方法,并考虑非线性结构多尺度分析的界面耦合。编写了多尺度模型界面耦合的子程序,并给出在通用有限元软件ANSYS和ABAQUS平台上的实现方法。通过算例将提出的界面耦合方法与现有方法进行对比,表明所提出的方法具有更高的计算精度,尤其是对于界面耦合区域的应力计算。(2)输电塔结构的模型静力与动力试验。制作了一座缩尺比例为1:10的输电塔试验模型。试验模型的制作准确考虑了几何相似,包括螺栓和连接板均按照相似比进行设计加工。试验模型由23种不同截面形式角钢构成,具有930个角钢、402个连接板以及3649个螺栓。试验从静力和动力两方面进行。静力试验在输电塔导线横担中间施加集中荷载,测试输电塔模型整体和局部部件的响应信息,包括整体的位移响应和关心节点板的应变响应。动力试验主要进行了锤击试验,用于提取输电塔整体的自振频率和振型信息。试验测试数据将用于检验输电塔结构多尺度模型和模型修正方法。(3)输电塔结构多尺度分析方法研究。对于输电塔的试验模型建立了多尺度有限元模型。选取下曲臂和塔身连接节点建立三维实体精细模型。节点精细模型采用实体单元建模,考虑了螺栓连接的接触问题。关心节点以外的其余杆件采用梁单元建模。多尺度模型界面耦合采用所提出的约束方程方法处理。最后,利用输电塔结构多尺度模型进行静力分析和模态分析,并将计算结果与试验结果进行对比,验证了多尺度模型的计算精度。(4)输电塔结构多尺度模型修正方法研究。提出了一种基于Kriging方法的多尺度模型修正方法。建立了多尺度有限元模型修正的多目标优化模型,利用多尺度模型的整体位移响应、局部应变响应以及动力特性信息,同时修正输电塔结构的整体和局部有限元模型。采用多目标遗传算法NSGA-II求解优化问题实现多尺度模型修正。为了提高模型修正的计算效率,采用Kriging方法建立了代理模型,用来代替模型修正中的结构多尺度分析。通过算例对比分析了Kriging方法和几种常用代理模型,结果表明Kriging代理模型对于高度非线性函数的逼近精度更高。最后,采用缩尺模型试验获得的静力位移、应变、频率以及振型等数据,将提出的多尺度模型修正方法用于输电塔结构多尺度模型修正,验证所提出模型修正方法的有效性。结果表明建立的多尺度模型修正方法可以有效改进多尺度模型对整体和局部响应信息的计算精度。(5)下击暴流作用下输电塔倒塌结构多尺度分析研究。建立了下击暴流作用下输电塔倒塌结构多尺度分析方法。考虑下击暴流风荷载的平均风和脉动风成分,根据下击暴流模型生成风荷载时程。对输电塔结构建立了梁壳耦合的多尺度模型,对于输电塔倒塌过程中变形较大的关键部件采用壳单元建模,其余构件采用梁单元建模。分别采用输电塔梁模型和多尺度模型计算下击暴流作用下输电塔的动力响应和倒塌过程,并将计算结果进行对比分析。通过对比发现,结构多尺度模型计算动力稳定性临界荷载要低于梁模型。对多尺度局部精细壳模型的变形和等效塑性应变进行分析,发现多尺度分析中考虑了螺栓连接引起的应力集中现象以及主杆截面溃陷等局部非线性因素,导致承载能力下降。相对于传统梁模型,结构多尺度模型可以考虑更多影响承载力的局部非线性特性,因此计算精度更高。