输电塔-线体系抗连续倒塌能力及鲁棒性设计方法研究

在现有结构抗连续倒塌的分析以及设计方法基础上，阐述了国内外抗连续倒塌相关规范，分析了输电塔—线体系的动力特性，基于隐式算法对断线作用下体系的动力效应进行了模拟，在对杆塔支座反力、主材应力、塔顶最大位移等分析的基础上确定了基于位移控制和内力控制的断线最不利工况。同时，对体系进行了非线性静力和非线性动力分析，确定了输电塔—线体系断线作用下动力放大系数的取值范围。基于输电塔主材应力、斜材应力、塔顶位移等确定了耐张塔主要破坏形式：弯曲破坏和扭转破坏。提出了导（地）线张力衰减系数和杆塔张拉系数，并通过断线后各档导（地）线张力变化和各档总张力变化分析了导（地）线张力衰减的过程。 基于导（地）线张力、后续直线塔位移、应力、破坏程度分析了耐张塔破坏对体系的影响程度，结果表明：耐张塔破坏会导致后续直线塔不平衡张力增大，从而发生直线塔破坏甚至连续性倒塌。基于能量法，对体系各组件的应变能、动能进行了时程分析，得出了体系失效是导（地）线应变能和重力势能转化为体系动能和其他组件（输电塔、绝缘子串等）应变能的过程，明确了能量流传递路径。在此基础上对输电塔—线体系的鲁棒性进行了定义，提出了用于评估输电塔及塔—线体系的鲁棒性指标。 建立了包含不同数量直线塔的塔线体系有限元模型，分析了断线侧输电塔在断不同根数导线时的断线动力效应，引入基于轴力的冲击系数公式，分析了断四根导线时断线侧输电塔主要杆件的断线冲击效应，确立了断线冲击最大的杆件位置。在此基础上，改变塔线体系模型中未断线档输电塔的侧向刚度、线路档距、线路转角及悬挂点高差等参数，分析了断四根导线时，一个耐张段内各参数对断线侧输电塔断线动力效应的影响。同时，研究了某根导线断裂后，断线档其他导（地）线相继拉断，断线侧输电塔倒塌的全过程，并分析了相邻档输电线张力的衰减规律。在试验及理论分析的基础上，确立了输电塔倒塌过程中主要节点及杆件的失效路径和破坏模式，提出了提高失效主材设计要求的建议。 2100433B

输电塔结构体系具有塔体高、跨距大、柔性强等高耸塔体和大跨度结构的共同特点，输电塔-线体系对导（地）线断线荷载的反应敏感。在极端条件，容易发生动态倒塌破坏，导致输电塔多米诺骨牌式地倒塌,使整条线路瘫痪。为了进一步完善输电塔塔线体系抗连续倒塌分析理论，提出一种考虑三维整体效应的塔线体系抗连续倒塌理论计算方法，本项目对断线荷载作用下输电塔-线体系的抗连续倒塌能力及其鲁棒性设计方法进行研究。主要包括三方面的工作：.（1）输电塔塔线体系连续倒塌三维整体效应的试验研究。在此基础上，进一步完善输电塔线体系连续倒塌评价准则。.（2）输电塔线体系连续倒塌非线性有限元分析。对考虑初始状态及动力效应的输电塔线体系连续倒塌破坏机理进行深入研究。.（3）根据能量动力灾变分析方法，结合半刚性连接理论，完善输电塔-线体系的鲁棒性设计方法。

为减少意外事件下大跨空间结构的倒塌事故，本项目针对应用广泛的斜拉结构，研究其鲁棒性、抗连续倒塌性能和倒塌控制策略。从能量角度出发，结合敏感性分析思想，提出一种构件重要性判断方法；并提出一种空间结构的对称性搜索和判断的方法，利用群论修正求解策略，提高计算效率。在此基础上，结合构件自身的可靠度，进行斜拉结构的鲁棒性研究。利用向量式有限元方法编制斜拉结构连续倒塌数值模拟程序，研究斜拉结构在初始杆件失效后的内力重分布机制与结构连续倒塌机理，并分析合理的初始预应力水平和分布。用折纸型屈曲约束构件代替结构中的关键杆件，提高斜拉结构抗连续倒塌能力；并研究檩条、屋面板对斜拉结构抗连续倒塌能力的作用。为验证连续倒塌数值模拟方法和结果的正确性，进行斜拉结构及利用倒塌控制策略加强后斜拉结构的连续倒塌动力试验研究；在模型试验的基础上，提出相应的设计、施工建议。本项目的完成将对我国大跨空间结构的发展起到重要作用。

为减少意外事件下大跨空间结构的倒塌事故，本项目针对应用广泛的斜拉结构，研究其鲁棒性、抗连续倒塌性能和倒塌控制策略。结合敏感性分析思想，充分考虑到空间网格结构非线性明显的特征，提出了一种基于切线刚度的重要构件判断方法，进一步验证了刚度矩阵的行列式比结构稳定因子更适合作为结构的响应。分别定义了无荷载作用下的构件重要性系数和荷载作用下的重要性系数，通过算例分析了不同支座条件、构件刚度、荷载等级和荷载分布形式对构件重要性的影响及相应的变化规律。将构件失效前后杆件应变能的变化作为结构鲁棒性的衡量指标，提出一种空间结构的对称性搜索和判断的方法，利用群论修正求解策略，提高计算效率。在此基础上，结合构件自身的可靠度，进行斜拉结构的鲁棒性研究。采用全过程动力分析方法和合适的参数，分别对斜拉结构在内索、边索、角索断裂失效的情况下进行抗连续倒塌能力分析。在设计荷载组合下控制结构不同的平均应力比值，得到不同构件截面大小的结构模型，然后对这些模型进行动力放大系数的研究。进行考虑初始缺陷的空间结构连续倒塌静力仿真分析，并编制斜拉结构连续倒塌数值模拟程序，给出了ANSYS中基于等效荷载卸载法的结构抗连续倒塌的具体分析流程，研究结构在初始杆件失效后的内力重分布机制与结构连续倒塌机理，并分析合理的初始预应力水平和分布。提出斜拉结构抗连续倒塌的设计方法，并结合天津梅江会展中心结构的抗连续倒塌设计，探讨大跨空间结构的抗连续倒塌的设计方法，并给出结构抗连续倒塌的措施。设计折纸型屈曲约束构件代替结构中的关键杆件，提高斜拉结构抗连续倒塌能力。本项目的完成将对我国大跨空间结构的发展起到重要作用。

结构抗连续倒塌设计是指结构因偶然荷载造成结构局部破坏失效，继而引起失效破坏构件相连的构件连续破坏，最终导致相对于初始局部破坏更大范围的倒塌破坏。

作用

对于某些比较重要的建筑结构，工程师在建筑结构设计时有责任防止结构连续性倒塌的发生，对其进行结构抗连续倒塌设计，保证结构在一定安全可靠度之下具有抵抗连续性倒塌的能力，当偶然荷载造成结构局部破坏时，结构能够通过多种荷载路径内力重分布阻止破坏过大范围的蔓延，尽可能减少人员的伤亡和结构的破坏程度。 2100433B