风荷载作用下输电塔体系可靠度分析

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1、1绪论1．1引言安全性历来是工程结构设计中的首先要考虑的重大问题，这是因为结构工程的建造耗资巨大，一旦失效不仅会造成结构本身和人民生命财产的巨大损失，还往往产生难以估量的次生灾害和附加损失。结构安全性的设定是一个涉及国家政策、经济发展水平、社会文化背景、历史传统等多方面的问题，在相当程度上反映在一个国家的设计规范中。近年来，我国国民经济的快速发展，对资源的合理开发和利用提出了更高的要求。尤其在电力工业的建设方面，我国目前正在开展的“西电东送"工程，将很好地实现我国东部、中部和西部地区的整体资源优化和地区性资源共享。而随着输送

2、电压不断提高，输电塔架的高度不断提高，形式上不断创新，在设计和制造安装等方面都取得了长足的进步。我国目前已建成并投入运行的交流输电线路电压等级大多为500kV，其线路总计可达4．4万多公里，其塔线的设计、荷载组合等已有相对详尽的设计规程、规定和比较丰富的工程设计经验。但输电塔体系与一般的土木工程结构不同，最显著的特点是它是由导线和各个输电塔连接而成的复杂体系。其高度由几十米到数百米，电缆跨度由几百米到上千米。高压输电塔是输电线路中的主要构成部分，一般为较高的钢桁架塔，属高耸、柔性结构，其投资约占本体投资的30％【I】。因此杆

3、塔的设计将直接决定整体线路的投资，而影响杆塔和基础指标的主要因素则在于风荷载、覆冰荷载等。由此可见对输电塔进行风荷载作用下的可靠性分析非常重要，直接关系到交流输电线路的工程投资和人民的生产建设和生活秩序，保证输电线路长期安全运行。而由各种荷载引起的输电线路塔架的破坏会带来非常严重的影响。文献【2’3】列举了近年来我国500kV线路的倒塔情况，见表1．1。表1．1我国500kV线路的倒塔事故Tab．1．1Collapseaccidentstatisticsof500kVtransmissiontowerinORFcountry

4、重庆大学硕士学位论文续表1．11．2结构可靠度的理论结构可靠性通常定义为：在规定的使用条件和环境下，在给定的使用寿命期间，结构有效的承受载荷和耐受环境而正常工作的能力。结构可靠性的数量指标通常用概率表示，称为结构可靠度。“规定的使用条件和环境”对结构的可靠性有着重要的影响。根据不同的使用条件在不同的环境下结构的可靠性是不同的，甚至差别很大。“使用寿命期间”是可靠性定义中的重要前提。一般说来，结构的可靠性是随时间的延长而逐渐降低的，所以一定的结构可靠性是对一定的时间而言的。使用寿命的长短，随结构物的不同及使用目的不同而异。规范

5、规定的工程结构设计基准期一般为50年14J。结构可靠度分析需对结构设计中的诸多不确定因素作出定量分析，其不确定性可以分为下述两类15l。①客观不确定性。客观不确定性是指与基本变量有关的不确定性。它包括材料力学性能的不确定性、构件尺寸的不确定性、制造误差、施工不完善及焊接残余应力等引起的不确定性等等。这种不确定性可以通过实物或试样的测定结果进行统计分析，找到它们的分布特性。21绪论②主观不确定性。主观不确定性包括对结构强度进行分析所作的假定、环境条件及转化为荷载的近似性和结构分析方法及结构模型化精确度等引起的不确定性。这种不确

6、定性主要取决于人们对它们的认识程度及人们所掌握的知识水平。结构可靠度的理论模式，按照精度的不同可以分为三种。1)精度最低的局部安全因子法，用结构构件和荷载的随机变量的一阶矩加以概括，其可靠性分析基本上是基于估计或是工程经验判断，缺乏对不确定性变量的定量分析，主要用于各种设计规范、标准。2)较为精确的近似概率法，使用随机变量的前二阶矩来描述其分布特性，估算失效概率和可靠指标。一般要求对结构失效进行理想化处理并对各变量的联合概率密度作简化表达，也称为一次二阶矩法。3)精确性最高的全概率法，这种方法要求掌握所有基本变量的真实分布，

7、并建立联合概率密度函数，再进行多重积分运算，以求得结构体系的失效概率，但在实际运用中存在很大困难。结构可靠度分析的过程大致可分为三个阶段：一是搜集与结构有关的随机变量的观测或试验资料。并对这些资料用概率统计的方法进行分析，确定其分布概率及有关统计量，以作为可靠度或失效概率计算的依据。若忽略计算模型的不确定性，则与结构有关的随机变量大致可分为三类：1)外在作用，如荷载等；2)材料的力学性质；3)构件的几何尺度。可靠性分析的第二阶段是分析统计荷载的随机性，计算结构的荷载效应随机性，并通过试验与统计获得结构的能力，建立结构的失效准

8、则。荷载效应指的是荷载作用下，构件或体系中的应力、内力、位移及变形等。结构抗力指的是结构构件或体系抵抗破坏与变形的能力，如构件屈服强度、抗拉强度、体系整体抗弯刚度、容许变形和位移等。结构失效准则一般用极限状态方程表示。极限状态方程是为保证结构安全，而使荷载效应与结构抗力需满足的约束条件。分