[发明专利]一种基于线性屈曲分析的输电塔结构初始几何缺陷模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于线性屈曲分析的输电塔结构初始几何缺陷模拟方法，属于输电塔结构设计技术领域。本发明的特征模态装配法主要步骤有：按照设计图纸建立不包含初始几何缺陷的理想输电塔数值模型，施加外荷载对其进行线性屈曲分析，从线性屈曲分析得到的屈曲模态中提取出现在相同位置且分别仅包含一个半波、两个半波和三个半波的屈曲模态，将提取的屈曲模态按其先后次序线性叠加在各自对应的位置以形成带有初始几何缺陷的输电塔模型。本发明的特征模态装配法获得的几何缺陷沿塔身分布较为均匀，组合了较高半波数的屈曲模态，得到的几何缺陷较单一屈曲模态形式的缺陷更加符合实际，同时几何缺陷的构造过程简单，具有很强的操作性。

技术领域

本发明属于输电塔结构设计技术领域，尤其涉及一种输电塔结构初始几何缺陷模拟方法。

背景技术

输电塔结构是一类重要的生命线工程结构，主要用于支撑导线和避雷线，其安全性将直接影响电网的安全运行和社会的生产生活。在铁塔构件运输、塔体组立施工、架线施工和后期运维过程中，输电塔结构不可避免的会产生各种初始几何缺陷，比如制作、安装过程中存在的节点偏差，构件的初弯曲和初偏心，各种原因造成的装配应力等，这些缺陷及其二阶效应将极大的削弱输电塔结构的稳定性和极限承载力。

随着工程结构日趋复杂化和多样化，大型结构无论强度还是屈曲分析已经普遍采用有限元方法。在有限元方法中，现有几何缺陷的模拟方法主要分为三类：施加实测缺陷、确定性缺陷模拟方法和随机性缺陷模拟方法。其中，确定性缺陷模拟方法通过人为假定将几何缺陷的分布形式和幅值完全确定下来，代表性方法有一致缺陷模态法和特征缺陷模态法，这两种方法由于实施简单，现已广泛使用并被纳入多个国家的结构设计规范，详见JGJ7-2010,空间网格结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2010和EN 1993-1-6-2009,Eurocode 3:Design of Steel Structures-Part 1-6:Strength and Stability ofShell Structures.Brussels:European Committee for Standardization,2010。一致缺陷模态法采用结构的最低阶屈曲模态来模拟几何缺陷，但最低阶屈曲模态未必是最不利缺陷分布，高阶屈曲模态可能更加不利，详见张爱林,张晓峰,葛家琪等.2008奥运羽毛球馆张弦网壳结构整体稳定分析中初始缺陷的影响研究[J].空间结构,2006(04):8-12；已有研究表明该方法用于输电塔结构时未能准确预测输电塔结构的失效模式，详见FU X,WANG J,LIH N,et al.Full-scale test and its numerical simulation of a transmissiontower under extreme wind loads[J].Journal of Wind Engineering and IndustrialAerodynamics,2019,190:119-133。特征缺陷模态法考虑前若干阶屈曲模态单独或相互组合作为几何缺陷分布模式，自身存在模态组合规则、模态参与系数和模态截断阶数难以确定的问题，详见BULENDA T,KNIPPERS J.Stability of grid shells[J].Computers andStructures,2001,79(12):1161-74，用于输电塔结构时大量屈曲模态仅叠加在同一位置造成对承载力等性能的严重低估。上述两种确定性缺陷模拟方法主要由对网壳和柱壳等壳体结构的研究而来，用于输电塔结构时具有很多局限性。

针对上述两种确定性缺陷模拟方法的不足，本发明提出了一种适用于输电塔结构的确定性几何缺陷模拟方法，即特征模态装配法，核心在于沿塔身高度范围内在线性屈曲分析预测的各薄弱部位按屈曲模态出现的次序线性叠加对应的一个半波、两个半波和三个半波的屈曲模态，为输电塔结构的设计、承载力评估和失效模式预测等提供合理的几何缺陷模式。

发明内容

本发明为输电塔结构提出了一种确定性的几何缺陷模拟方法，即特征模态装配法，为输电塔结构的设计和安全评估提供合理的几何缺陷模式。

本发明的技术方案：