考虑多种缺陷综合影响的输电塔多尺度结构分析方法

《Engineering Structures》：Multi-scale structural analysis method for transmission towers considering the combined effects of multiple imperfections

输电塔结构多缺陷耦合效应分析及多尺度建模方法研究，通过全尺寸加载试验与多参数分析，建立平面桁架与空间刚架混合模型，创新性引入初始弯曲、残余变形及半刚性节点行为的多尺度数值模型，有效提升复杂缺陷下结构性能预测精度，为工程快速评估提供可靠工具。

　　

陈世金|王华杰|冯德奎|曾尔贤|王思宇|张志伟|齐明茹|钱洪亮|范峰

哈尔滨工业大学土木工程学院，中国黑龙江省哈尔滨市150090

摘要

为了以经济高效的方式评估输电塔的机械性能，本研究开发了一种多尺度结构分析方法，该方法考虑了多种缺陷的综合影响。通过对输电塔进行全尺寸加载试验、初始弯曲测量、残余变形测量和材料性能测试，对其结构响应进行了表征。根据设计图纸和测量数据，建立了平面桁架和空间刚架模型，并按照相关设计标准计算了构件应力比。通过引入壳单元、初始弯曲、结构残余变形和半刚性接头行为，建立了一系列多尺度数值模型，包括无缺陷模型、单缺陷模型和多缺陷模型。通过对比分析验证了多缺陷模型的准确性。基于该模型，确定了输电塔的失效模式和机械性能，并进行了参数分析，以量化不同缺陷对结构机械性能的影响。所提出的方法减少了对外部大量设计试验的依赖，支持了对在役输电塔的快速结构评估。

引言

随着输电线路建设的快速发展，景观输电塔设计得到了越来越多的应用。这类塔架解决了与环境融合相关的挑战[1]、[2]（图1）。然而，随着新型输电塔（如景观塔）设计的日益复杂，结构承载能力的计算也相应变得更加具有挑战性。新型输电塔的结构性能主要通过全尺寸试验进行评估，这导致设计成本高昂且测试时间较长。开发精细的数值分析模型可以显著降低设计成本，并更清楚地了解其机械响应。因此，建立可靠的数值模拟方法对于输电塔的结构安全评估至关重要。

最近的研究通过全尺寸试验和数值分析广泛研究了角钢输电塔的机械行为和失效机制。夏和杨[3]、[4]进行了全尺寸构件试验，并使用有限元模型进一步研究了结构机械性能。Szafran、Fu、Li和Gao[5]、[6]、[7]、[8]、[9]对新型输电塔结构进行了全尺寸试验，并分析了其机械行为和失效模式。Albermani等人[10]、[11]使用全尺寸试验和非线性结构分析研究了失效机制。Asgarian等人[12]通过移除关键构件来评估输电塔的残余承载能力。Prasad Rao[13]进行了线性数值分析，以评估螺栓滑动对结构可靠性的影响。Kassem等人[14]和Fu等人[15]应用增量动态分析对输电塔-线路系统进行了敏感性研究，并考察了不同参数对地震性能的影响。He等人[16]使用多尺度模型分析了动态响应。Jeddi等人[17]估计了在多种灾害条件下塔架倒塌的概率。Tsavdaridis等人[18]和Kim等人[19]使用空间刚架有限元模型对通信塔进行了结构优化，并提出了新型优化设计。Li等人[20]使用空间刚架模型研究了强风条件下输电塔的承载能力和机械响应，而Li等人[21]确定了其自然振动周期。Zhang等人[22]和Meng等人[23]使用塔-线模型评估了复杂风环境中的输电塔倒塌风险。Prasad Rao等人[24]、[25]、[26]使用有限元模型总结了考虑偏心缺陷和约束的输电塔构件的机械性能。Shu等人[27]通过结合全尺寸试验和有限元模型研究了不同风速下的机械响应。Zhu等人[28]、[29]和Shukla等人[30]通过全尺寸试验和有限元模型分析了新型输电塔的机械性能。Song等人[31]使用包含初始缺陷的塔-线耦合模型研究了不同结冰条件下的结构性能。Zhang等人[32]、Wang等人[33]、Zekavati等人[34]和Wang等人[35]使用实体单元和梁单元开发了多尺度模型，研究了具有各种初始缺陷的塔架。

总体而言，许多数值研究使用平面桁架或空间刚架模型研究了角钢输电塔的结构机械行为和失效机制。然而，这些模型在捕捉结构缺陷和预测机械响应方面存在固有缺陷，导致预测性能与实际性能在结构刚度、载荷传递路径和失效模式方面存在显著差异。为了提高分析精度，一些研究采用了高度精细的有限元模型，如实体单元多尺度模型和全壳单元模型。虽然这些方法可以准确捕捉结构响应，但通常会导致模型尺寸较大和计算成本较高，不适合参数分析和工程应用。此外，现有研究主要集中在单一缺陷的独立效应上，忽略了多种缺陷的耦合效应。随着现代输电塔结构的日益复杂，多种缺陷的相互作用进一步加剧了结构分析的难度。因此，有必要开发一种能够在计算精度、计算效率和工程适用性之间取得合理平衡的分析方法。

据此，本研究对YT37型输电塔进行了全尺寸加载试验、初始构件弯曲和残余结构变形测量以及材料性能测试，以表征其机械响应。根据设计图纸和实验数据，建立了平面桁架模型和空间刚架模型，并按照标准评估了构件应力比。在空间刚架模型的基础上，仅对应力比较高的构件引入了SHELL181单元，其余构件则使用BEAM188单元进行建模。通过将初始弯曲、残余变形和接头刚度纳入模型，建立了一系列多尺度数值模型，包括无缺陷模型、单缺陷模型和多缺陷模型，从而能够进行系统的对比分析。利用所提出的多缺陷模型，确定了结构失效模式和构件失效机制。此外，还进行了单参数分析和多参数正交分析，以量化不同缺陷对结构性能的影响和临界阈值。所提出的方法能够在保持高计算效率的同时准确预测结构响应。这种多尺度方法为设计验证、全尺寸试验优化以及多缺陷条件下在役输电塔的快速结构性能评估提供了实用可靠的工具。

测试方案

全尺寸试验是在YT37型椰子树风格输电塔上进行的。图2显示了塔高的构件截面信息分布，与表1中总结的截面相对应。该塔的总高度为74.20米，名义高度为57.10米，塔腿跨度为14.55米×14.55米。所有构件均采用等肢角钢制造。主要构件由Q420材料制成。

现有计算模型分析

先前的研究比较了平面桁架模型、混合单元模型和空间刚架模型的承载能力预测。空间刚架模型具有更高的计算精度，而平面桁架模型在实践中应用最为广泛。在本研究中，这两种建模方法均用于分析所测试的塔架。

多尺度数值有限元模型

为了开发更准确的塔架机械性能评估方法，建立了一系列多尺度模型，包括无缺陷模型、单缺陷模型和多缺陷模型。基于这些模型，分析了塔架的机械性能。

荷载-位移曲线分析

图26显示了荷载-位移曲线。在输电塔的等高度位置选择了9个位移测量点。在设计荷载的119%以内，曲线呈现近似线性趋势，表明结构仍处于弹性状态。超过这一荷载水平后，位移迅速增加，导致结构倒塌。该输电塔结构的塑性变形能力相对较低。塔的整体刚度均匀减小。

结论

本研究开发了一种考虑多种缺陷综合影响的输电塔工程导向结构分析方法，采用多尺度模型。基于全尺寸加载试验，对所提出的方法进行了系统验证。对常见的工程缺陷进行了系统的单参数和正交分析。主要结论总结如下：

(1)

全尺寸塔架加载试验、初始弯曲测量、残余

作者贡献声明

王华杰：撰写 – 审稿与编辑。陈世金：撰写 – 原始草稿、方法论、形式分析。曾尔贤：监督。冯德奎：项目管理。张志伟：撰写 – 审稿与编辑、项目管理。王思宇：调查。齐明茹：软件。范峰：项目管理。钱洪亮：资源。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了山东省自然科学基金（项目编号：ZR2023ME215）、国家自然科学基金（项目编号：52478153）以及中国 Scholarship Council（项目编号：202406120051和202406120234）的资助。