基于在线监测数据的高压输电塔风致易损性研究

风灾经济损失评估包含风灾危险性分析(Wind hazard analysis)、结构的易损性分析(Fragility analysis)、结构的经济损失分析(Wind-induced loss estimation)三部分内容。其中，结构易损性分析是研究结构在一定强度的风荷载作用下结构所受到损伤或破坏的可能性，这是风灾经济损失评估的核心内容，也是结构工程学的主要研究内容。输电塔—线体系作为一种工程结构，是生命线系统的重要组成部分，一旦在发生损坏，将对社会造成巨大影响。本项目对输电塔—线体系的风灾易损性进行了系统的研究，内容包括：根据风的基本特性和输电塔—线体系的几何特征，利用谐波叠加法模拟了适合输电塔—线体系动力分析的脉动风速时程；基于概率方法对结构的抗风性能进行了分析，考虑实际结构存在的各种不确定性，采用蒙特卡洛模拟法，对结构进行增量动力分析并结合Budiansky-Roth准则进行抗风性能分析，得到了抗风能力界限值的统计参数，获得了结构抗风性能曲线，建立了结构的顶部最大位移角与风荷载强度，并据此定义结构的各个破坏状态；对结构的风灾易损性进行了分析并探索了采用双参数强度因子的风灾易损面分析方法，风荷载的平均风速不足以描述输电塔结构所受到的脉动风荷载的强度，与建立的风灾易损性曲线之间具有一定的差距，可见湍流强度也是很重要的荷载强度参数，采用多参数才能合理地表征风荷载强度，本项目采用平均风速和湍流强度作为描述风荷载强度的双参数，建立了双参数荷载强度因子表征的输电塔—线体系风灾易损性曲面，得到的各个破坏状态的失效概率要比只考虑一个风荷载强度参数得到的破坏概率要更为准确。 本项目的成果可为输电塔结构安全评估、输电塔-线系统规划时的风险评估、全寿命周期内费用优化等研究，提供关键的分析基础和有效的数据。 2100433B

高压输电塔是国家电力系统的重要基础设施和生命线工程，它的安全性问题直接关系到国家电力系统的稳定运行。近年来，因风灾导致的输电塔倒塔破坏，造成了巨大的经济损失。由于高压输电塔-线体系是一种具有质量轻、阻尼小、跨距大的高耸、柔性结构系统，使得输电塔的风致响应分析、性能评估、易损性分析十分复杂、困难。本项目从反问题的方向着手，将导线的动张力作为未知的系统变量施加于输电塔结构之上，采用荷载识别方法对其进行识别，从而将耦合的塔-线体系解耦为单塔结构。通过荷载识别，研究输电线在风荷载作用下导线动张力的变化规律，研究动张力对输电塔结构性能、失效模式的影响，对输电塔进行多参数易损性分析，并基于实际工程的监测数据，验证动张力识别算法的有效性，建立对易损性曲线进行修正的方法。本项目的完成将会为输电塔结构安全评估、输电塔-线系统规划时的风险评估、全寿命周期内费用优化等研究，提供关键的分析基础和有效的数据。

自十一五以来，我国公路特别是高速公路的建设重心已向中西部山区倾斜，为此需建设大批山区桥梁。山区桥梁的特点是桥址谷深、墩高且墩间刚度变化大，对于这类极其特殊的桥梁，我国现有的抗震设计规范无法涵盖，而对于山区公路，由于没有完善的路网，地震后桥梁保通以抢救生命财产，相比平原区更为迫切，为解决这一难题，本项目将基于性能的抗震设计思想，从时变易损性角度研究山区桥梁的合理抗震体系，建立概率性的精细化动力分析模型，揭示山区高墩结构布置参数之间的耦合因素对易损性的影响规律，提出高墩结构损伤指标的计算方法，建立桥梁非线性动力易损性曲线，构建山区桥梁地震时变易损性分析方法；深入研究山区桥梁的传力路径和抗震单元受力特点，引入蒙特卡罗优化理论，以构件和系统易损性指标来优化和衡量山区桥梁的合理抗震体系，由此提出桥梁的抗震优化布局。上述科学问题的解决，将为指导山区桥梁的抗震设计、评估已建桥梁的抗震性能奠定坚实的基础

自十一五以来，我国公路特别是高速公路的建设重心已向中西部山区倾斜，为此需建设大批山区桥梁。山区桥梁的特点是桥址谷深、墩高且墩间刚度变化大，对于这类极其特殊的桥梁，我国现有的抗震设计规范无法涵盖，而对于山区公路，由于没有完善的路网，地震后桥梁保通以抢救生命财产，相比平原区更为迫切，为解决这一难题，本项目将基于性能的抗震设计思想，从时变易损性角度研究山区桥梁的合理抗震体系，取得了如下成果：（1）提出一种新的基于条件边缘乘积法（PCM）的系统地震易损性分析框架，基于该框架研究了弹性索对中等跨径斜拉桥的影响，揭示了常规斜拉桥惯性力及能量传递规律，提出斜拉桥合理弹性索设计方法；（二）从基于性能的抗震设计评估角度出发，采用易损性分析方法研究了山区高墩多塔斜拉桥地震响应规律，揭示了高墩斜拉桥特殊的损伤特征及失效模式，探究了不同减震方法对高墩斜拉桥的控制机理，进而提出了高墩斜拉桥合理抗震体系的设计思路。（三）建立混凝土内氯离子扩散规律，研究了氯离子对钢筋的侵蚀机理，确定钢筋锈蚀时间及钢筋力学特性时变曲线，提出了考虑氯离子侵蚀效应的桥梁时变地震易损性分析框架，揭示了山区高墩桥梁在服役期内抗震性能演变规律。（四）通过引入Nataf变换，结合基于样条变换的均匀设计响应面法，提出了一种综合考虑地震动、结构不确定性以及变量相关性的桥梁地震易损性分析方法，提高了传统易损性分析方法的计算效率及精度。(五) 基于简化的Kerr模型，建立了弹性地基梁的精细化模型，研究了弹性地基梁系统的非保守特性，揭示了土-结构相互作用二次弯矩的非线性本质。 2100433B

桥梁地震易损性模型作为交通系统地震风险评估中的关键环节，对于桥梁抗震加固修复决策及震后紧急响应评估具有重要指导意义。针对既有桥梁地震易损性研究不足，采用经验统计和数值模拟相结合的方法，建立更加完善和精确的典型公路桥梁地震易损性模型。主要研究工作及结论如下： (1) 基于汶川地区典型公路桥梁调研资料，依据不同上部结构支承形式、墩柱形式和设计规范，将公路规则梁桥细化为8种桥型并开展模型参数化研究，针对每种桥型分别建构桥梁样本作为各类桥型代表，基于OpenSees建立桥梁样本的非线性动力有限元模型，运用增量动力分析方法，分析得到各类桥梁的全桥系统地震易损性模型。基于计算得到的地震易损性模型参数，拟合提出适用我国公路规则梁桥的中位值简化计算公式，并给出对数标准差建议值。 (2) 进一步进行斜交角度变换建构新的桥梁样本，对相同斜交角下桥梁样本进行分析并建立易损性模型，重点研究斜交角与易损性参数之间的关系。研究发现：易损性模型中位值大致随斜交角的增加而减小，对数标准差则呈相反趋势。以计算得到的易损性模型参数为样本，拟合提出适用我国斜交梁桥的中位值修正系数公式，并给出对数标准差建议值。研究表明：提出的简化计算方法具有较高的准确性，结果可为后续桥梁地震风险评估及加固规范修订提供参考依据。 (3) 在充分考虑结构和材料等桥梁参数不确定性基础上，基于Plackett -Burman 设计方法生成一系列桥梁样本。比较输入参数对地震响应的贡献，刷选出影响桥梁地震响应的显著性参数；进一步针对显著性参数进行中心复合设计，基于非线性时程分析建立桥梁各构件在不同的地震动强度下的响应面模型，采用蒙特卡罗抽样方法计算得到桥梁构件的易损性曲线。结果表明：生成的响应面方程可以高效地替代复杂的非线性时程分析，提高了地震易损性分析的计算效率，具有较好的工程应用价值。 (4) 采用基于多样条分析思想的估计方法、蒙特卡洛抽样的频率点回归方法以及二维概率密度函数积分的频率点回归方法，分别建立了近远场地震动激励下桥梁墩柱地震易损性模型。研究结果表明：在相同地震动强度作用下，墩柱在近断层地震动作用下发生完全破坏的概率较高，墩柱在远场地震动作用下发生其余三种损伤的概率较高；在同时考虑延性系数和残余变形两个损伤指标时，墩柱易损性中位值与单一损伤指标相比有较大幅度的减小，研究表明该方案可以更为准确地评估墩柱的地震风险。 2100433B