張煜恒, 沙池橙, 廖海林, 錢振東, 黃 國, 呂 勇, 倪宏宇

(1. 東南大學(xué) 智能運(yùn)輸系統(tǒng)研究中心, 江蘇 南京 211189;2. 國網(wǎng)紹興供電公司, 浙江 紹興 312000; 3. 中國電力科學(xué)研究院有限公司, 北京 100192)

輸電鐵塔作為輸電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重要支撐結(jié)構(gòu)與物理載體,其結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)直接關(guān)系到全線路系統(tǒng)安全。因其長期暴露在惡劣環(huán)境與極端天氣下,輸電鐵塔長期服役過程中必然出現(xiàn)材料老化、螺栓松動(dòng)、鋼材銹蝕等不同程度的損傷現(xiàn)象,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不斷弱化[1-3]。臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)、覆冰等惡劣災(zāi)害的頻發(fā)更會(huì)加速輸電鐵塔結(jié)構(gòu)局部損傷、桿件失穩(wěn)甚至倒塔等重大事故出現(xiàn)。由于輸電鐵塔災(zāi)害的偶發(fā)性與突發(fā)性,針對鐵塔災(zāi)害的措施多集中于事故后期的搶險(xiǎn)階段,難以根據(jù)及時(shí)輸電鐵塔健康狀態(tài)評價(jià)進(jìn)行預(yù)檢維修[4],亟需一種科學(xué)、準(zhǔn)確的輸電鐵塔健康狀態(tài)評價(jià)技術(shù)。

然而,輸電鐵塔作為由螺栓、桿件等多部件構(gòu)成的大型復(fù)雜體系,其結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的定量分析一直以來都是困擾工程界的難題。近年來,有關(guān)輸電鐵塔病害理論研究與工程應(yīng)用實(shí)踐方面開展了大量的工作,但研究多針對輸電塔鐵塔健康狀態(tài)中某單一指標(biāo)、單一工況進(jìn)行分析,缺乏全局性[5-6]。或受限于理論算法與有效數(shù)據(jù)支撐,僅從定性的層級(jí)對輸電線路結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行指標(biāo)分析與簡單的打分評價(jià)[7-9],受主觀影響較大,稍欠評價(jià)準(zhǔn)確性。總之,限制于輸電鐵塔的體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、所處地況服役環(huán)境的多樣性,缺少一套考慮多維度指標(biāo)體系的輸電鐵塔結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的定量評價(jià)方法。

本研究基于現(xiàn)役老舊鐵塔狀態(tài)統(tǒng)計(jì),綜合考慮輸電鐵塔主要劣化因素,構(gòu)建了一套“結(jié)構(gòu)狀態(tài)-荷載響應(yīng)”式輸電鐵塔指標(biāo)評價(jià)體系與評定細(xì)則。然后,針對典型鐵塔進(jìn)行ANSYS有限元分析,基于桿件強(qiáng)度極限狀態(tài)與失穩(wěn)極限狀態(tài),提出輸電鐵塔構(gòu)件核心度概念與判定閾值,可實(shí)現(xiàn)各服役桿件異權(quán)標(biāo)定。最后,基于系統(tǒng)可靠理論與PNET概率網(wǎng)絡(luò)算法建立了一套輸電鐵塔結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)可靠性評估方法,可較準(zhǔn)確地定量評價(jià)輸電鐵塔健康狀態(tài),并選取浙江500 kV陽儀線ZMS5222直線塔進(jìn)行算例檢驗(yàn),研究思路見圖1。研究結(jié)果為輸電線路內(nèi)薄弱鐵塔定位及具體薄弱環(huán)節(jié)確定提供理論基礎(chǔ),可進(jìn)一步指導(dǎo)鐵塔檢修運(yùn)維工作。

1 輸電鐵塔指標(biāo)評價(jià)體系

為全面、準(zhǔn)確地評價(jià)輸電鐵塔整體健康狀態(tài),本研究基于現(xiàn)役老舊鐵塔狀態(tài)統(tǒng)計(jì)分析[10-12],依托現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[13],采用“結(jié)構(gòu)狀態(tài)-荷載響應(yīng)”方式建立輸電線路健康狀態(tài)指標(biāo)評價(jià)體系,充分考慮輸電鐵塔年久劣化因素、輸電鐵塔常見破壞病害與關(guān)鍵構(gòu)件的異化狀態(tài)。

其中,“結(jié)構(gòu)狀態(tài)”指標(biāo)表征著輸電線路各部件服役狀態(tài)與異化程度,主要包含輸電鐵塔螺栓、桿件、結(jié)構(gòu)等承載性能參數(shù),考慮到輸電鐵塔服役時(shí)間較長,老化情況普遍,增設(shè)年久劣化模塊協(xié)同考慮?！昂奢d響應(yīng)”指標(biāo)表征著輸電線路承受的外界荷載響應(yīng)的種類與等級(jí),包含多種常見危害類型對應(yīng)的突發(fā)荷載響應(yīng)。建立“結(jié)構(gòu)狀態(tài)-荷載響應(yīng)”梯階層次指標(biāo)評價(jià)體系,見圖2,其中各二級(jí)指標(biāo)的具體評價(jià)細(xì)則見附錄表S1。

圖2 輸電鐵塔健康狀態(tài)指標(biāo)體系

2 輸電鐵塔桿件核心度

輸電鐵塔是以桿件、螺栓為主體的立體桁架結(jié)構(gòu),見圖3,因構(gòu)件區(qū)位和荷載作用位置的不同,各結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載應(yīng)力與失效后對整體鐵塔結(jié)構(gòu)系統(tǒng)影響程度差異性極大。例如,主材的破壞與斜材的破壞對于輸電鐵塔健康程度產(chǎn)生的影響不同,進(jìn)行系統(tǒng)可靠度計(jì)算時(shí)將其同權(quán)處理必然會(huì)導(dǎo)致健康狀態(tài)的評價(jià)失真。因此在進(jìn)行輸電鐵塔結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)可靠度評價(jià)時(shí)需針對不同類別桿件進(jìn)行差異化分析。首先,本文提出輸電鐵塔構(gòu)件核心度概念,其表征某桿件在鐵塔結(jié)構(gòu)中失效對整體鐵塔結(jié)構(gòu)的影響程度,即某桿件失效導(dǎo)致鐵塔結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)劣化越嚴(yán)重,則該桿件核心度越高。

圖3 輸電鐵塔單線圖

輸電鐵塔破壞模式多樣,其中由于桿件、螺栓等構(gòu)件破壞導(dǎo)致的鐵塔結(jié)構(gòu)損傷是最主要的破壞模式,因此本研究選擇采用ANSYS有限元分析軟件,從構(gòu)件應(yīng)力范疇進(jìn)行核心度的劃分。本研究選取典型直線塔為例,基于輸電鐵塔單線圖見圖3,建立鐵塔ANSYS有限元模型見圖4,其中采用BEAM188三維梁單元模擬主材,采用LINK180單元模擬輔助材。采用耦合節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角位移和線位移的方法,模擬交叉斜材相交處的連接螺栓[14]。對于塔腳,假定其與基礎(chǔ)之間剛接,約束相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的所有位移。在定義模型材料時(shí),鋼材的非線性力學(xué)行為采用理想彈塑性模型。彈性模量為2.06×105N/mm2,Possion比為0.3。

圖4 輸電鐵塔有限元模型

表1 鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

(1)

式中:φ為構(gòu)件負(fù)荷與強(qiáng)度的比例系數(shù);σ為軸心拉應(yīng)力或軸心壓應(yīng)力值(N/mm2);f為鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2);m為構(gòu)件強(qiáng)度折減系數(shù)。對于受拉構(gòu)件,雙肢連接的角鋼m=1.0,單肢連接的角鋼構(gòu)件(肢寬>40 mm)m=0.70,單肢連接的角鋼構(gòu)件(肢寬≤40 mm)m=0.55。對于受壓構(gòu)件,雙肢連接的角鋼m=1.0,單肢連接的角鋼m=0.85,組合斷面構(gòu)件(無偏心)m=1.0,組合斷面構(gòu)件(有偏心)m=0.85。

(2)

對于軸心受壓構(gòu)件:

(3)

對于壓彎構(gòu)件:

(4)

式中:λ為構(gòu)件長細(xì)比,當(dāng)λ<30時(shí),取λ=30,當(dāng)λ>100時(shí),取λ=100;fy為鋼材的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;φ為軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)。

表2 桿件核心度分類

3 輸電鐵塔健康狀態(tài)可靠度評價(jià)

輸電鐵塔屬于多組件構(gòu)成的復(fù)雜桁架體系結(jié)構(gòu),該系統(tǒng)正常服役狀態(tài)是由若干彼此聯(lián)系并相互協(xié)調(diào)的工作單元能否正常工作共同決定。例如專家打分法等常規(guī)評價(jià)方法在針對此類復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)無法考慮各構(gòu)件、各子系統(tǒng)對整體的差異影響,評價(jià)易失真。

本文基于系統(tǒng)可靠度[15-18],依據(jù)“構(gòu)件-子系統(tǒng)-整體”劃分研究尺度,綜合考量各失效模式與其之間關(guān)系,建立“輸電鐵塔”系統(tǒng)與“鐵塔構(gòu)件”子系統(tǒng),異權(quán)分配各類核心桿件,針對輸電鐵塔健康狀態(tài)評價(jià)進(jìn)行研究。

3.1 輸電鐵塔可靠度

定義輸電鐵塔可靠度R(t)為描述輸電鐵塔整體正常工作的可靠性,即無故障完成服役功能的輸電鐵塔占總投入運(yùn)營鐵塔的百分?jǐn)?shù),其取值范圍應(yīng)為:0≤R(t)≤1。定義輸電鐵塔不可靠度為輸電鐵塔在預(yù)定條件及時(shí)間內(nèi),不能完成服役功能的概率,即失效概率,用F(t)表示。輸電鐵塔可靠度與不可靠度之間應(yīng)滿足互補(bǔ)關(guān)系,即:

R(t)+F(t)=1

(5)

3.2 輸電鐵塔結(jié)構(gòu)安全余量方程

輸電鐵塔在正常服役狀態(tài)下必然存在一定的狀態(tài)富裕,分析輸電鐵塔結(jié)構(gòu)各富裕狀態(tài)余量是明確輸電鐵塔結(jié)構(gòu)可靠度界限的基礎(chǔ)。輸電鐵塔各元件破壞的原因主要為突發(fā)荷載狀態(tài)下某元件瞬時(shí)應(yīng)力高于其應(yīng)力極限狀態(tài)或失穩(wěn)極限狀態(tài)。因此,本文采用結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)指標(biāo)進(jìn)行表征,依托有限元應(yīng)力分析結(jié)果,以設(shè)計(jì)容許應(yīng)力為界限建立結(jié)構(gòu)安全余量方程。定義失效元件集合為IC,則其余鐵塔結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件安全余量為:

(6)

式中:Ai為鐵塔i元件截面積;Pk為鐵塔k元件所承受外載荷;bik表示鐵塔k節(jié)點(diǎn)載荷為單位值時(shí)i元件中產(chǎn)生的內(nèi)力;Cyi為鐵塔i元件許用應(yīng)力;ait表示鐵塔t元件抗力為單位值時(shí)i元件中產(chǎn)生的內(nèi)力,稱鐵塔抗力影響系數(shù);Qk是i元件全部節(jié)點(diǎn)數(shù)。

輸電鐵塔絕大部分元件均為彈塑性材料,其在達(dá)到屈服極限后不再能繼續(xù)承擔(dān)更大的內(nèi)力,本文采用反向節(jié)點(diǎn)力法表征此現(xiàn)象。即將鐵塔失效元件承載力通過反向節(jié)點(diǎn)力的形式加載于其余輸電鐵塔結(jié)構(gòu)上,并以抗力影響系數(shù)形式表征。輸電鐵塔元件脆性破壞前正常產(chǎn)生反向節(jié)點(diǎn)力,當(dāng)其達(dá)到屈曲極限后,其產(chǎn)生的抗力影響系數(shù)為零?？紤]輸電鐵塔元件屈曲破壞的輸電鐵塔安全余量為:

(7)

式中:n為鐵塔總元件數(shù)。除失效元件以外元件內(nèi)力s為拉力時(shí),容許應(yīng)力取輸電鐵塔元件屈服應(yīng)力σy,當(dāng)內(nèi)力為壓力時(shí),考慮屈曲破壞現(xiàn)象,容許應(yīng)力取屈服應(yīng)力σy與屈服臨界應(yīng)力σcr最小值。輸電鐵塔屈曲臨界應(yīng)力σcr為:

σcr=ψmNσy

(8)

式中:ψ、mN分別為輸電鐵塔軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)和鐵塔壓桿穩(wěn)定強(qiáng)度折減系數(shù)。

3.3 輸電鐵塔元件可靠性指標(biāo)

輸電鐵塔作為超靜定結(jié)構(gòu),其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)失效是由于多個(gè)元件共同失效導(dǎo)致。因此本研究選取輸電鐵塔元件可靠性指標(biāo)作為基礎(chǔ)分析對象,進(jìn)而判斷結(jié)構(gòu)失效模式特征,基于失效模式耦合完成輸電線路結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性分析。

M=g(X1,X2,…,Xn)

(9)

式中:Xi為服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量。

則在X*點(diǎn)線性化展開為:

(10)

輸電鐵塔安全余量M的均值為:

μM=g(X1*,X2*,…,Xn*)

(11)

考慮隨機(jī)變量的相關(guān)性,M的標(biāo)準(zhǔn)差為:

(12)

其中:

(13)

(14)

式中:ρij為Xi與Xj之間的相關(guān)系數(shù);αi為靈敏度系數(shù),它表示第i個(gè)隨機(jī)變量對標(biāo)準(zhǔn)差的相對影響;σXi為隨機(jī)變量Xi的標(biāo)準(zhǔn)差。

可得,輸電鐵塔元件的可靠性指標(biāo)為:

β=

(15)

最終求得X*應(yīng)位于結(jié)構(gòu)失效面中,即g(X1*,X2*,…,Xn*)=0,故變化式(15)為:

Xi*=μXi-βαiσXi(i=1,2,…n)

(16)

式中X*和β用迭代法求得,迭代過程說明如下。

首先,假設(shè)1個(gè)β和驗(yàn)算點(diǎn)X*,一般取X*=μX;計(jì)算αi值,并求得X*;檢驗(yàn)g(X1*,X2*,…,Xn*)=0是否滿足。若不滿足,重復(fù)上述迭代,直到g(X1*,X2*,…,Xn*)=0檢驗(yàn)成功,此時(shí)可根據(jù)式(14)得輸電鐵塔元件可靠性指標(biāo)β。

3.4 輸電鐵塔失效模式可靠性指標(biāo)與相關(guān)系數(shù)

輸電鐵塔中多個(gè)元件同時(shí)失效會(huì)導(dǎo)致某一種鐵塔整體失效模式出現(xiàn),而輸電鐵塔結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度是由若干種出現(xiàn)概率不同的失效模式?jīng)Q定的。因此本節(jié)針對輸電鐵塔主要失效模式進(jìn)行分析,并確定其各失效模式之間的相關(guān)系數(shù)。

假設(shè)輸電鐵塔共有N個(gè)元件,建立各鐵塔元件的安全余量方程并求得可靠性指標(biāo)β。針對所求的所有鐵塔元件可靠性指標(biāo),設(shè)其中可靠性指標(biāo)最小者為失效元件,將其剛度設(shè)為0并重構(gòu)鐵塔剛度矩陣,考慮此失效元件產(chǎn)生的反向節(jié)點(diǎn)力,計(jì)算新結(jié)構(gòu)的各鐵塔元件可靠性指標(biāo)。此過程代表某一元件失效對整體結(jié)構(gòu)的影響,重復(fù)上述過程至鐵塔結(jié)構(gòu)成為機(jī)構(gòu),即剛度矩陣行列式為0,至此形成某單一失效結(jié)構(gòu)模型,針對此單已失效模式下失效元件展開如下分析。

設(shè)N個(gè)元件中此時(shí)已失效q個(gè)元件,分別列為r1,r2, …,rq,則輸電鐵塔失效模式的失效概率為:

(17)

可以看出,當(dāng)輸電鐵塔失效元件增加至失效路徑時(shí),其失效概率未繼續(xù)增加。本研究選取輸電鐵塔失效模型的第q個(gè)元件rq的安全余量作為此失效模式的安全余量,將安全余量方程線性展開,求得其安全余量M的均值與標(biāo)準(zhǔn)差,即可得到相應(yīng)輸電鐵塔失效模式的可靠性指標(biāo)βs:

βs=

(18)

基于輸電鐵塔評價(jià)指標(biāo)體系,本文選定桿塔、基礎(chǔ)、導(dǎo)線、金具以及絕緣子5項(xiàng)作為主要失效模式,基于有限元模擬計(jì)算結(jié)果與鐵塔破壞形式統(tǒng)計(jì),確定本文各失效模式可靠度參數(shù)見表3。其中各項(xiàng)目劣化程度評定標(biāo)準(zhǔn)按表S1進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì),選其子項(xiàng)最嚴(yán)重等級(jí)作為項(xiàng)目劣化程度等級(jí)進(jìn)行可靠度確認(rèn)。

表3 各失效模式可靠度參數(shù)

綜合計(jì)算輸電鐵塔結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)時(shí),必須考慮各工況下各失效模式,并定義其各失效模式間的關(guān)系。

本研究采取PNET算法,即概率網(wǎng)絡(luò)估算法。其原理是綜合輸電鐵塔全部失效模式的可靠性指標(biāo)以計(jì)算輸電鐵塔結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。將鐵塔構(gòu)件分成若干組,若同組構(gòu)件中與某一代表構(gòu)件高度相關(guān),則該代表構(gòu)件定義為該組所有機(jī)構(gòu)中失效概率最高的機(jī)構(gòu)。并且,輸電鐵塔構(gòu)件失效系數(shù)即可代表該塔中所有機(jī)構(gòu)的失效概率?；谑Ｊ较嚓P(guān)系數(shù)將各工況下失效模式綜合計(jì)算,確定輸電鐵塔結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。

設(shè)鐵塔結(jié)構(gòu)的第i個(gè)失效模式有q-1個(gè)已失效元件,建立安全余量方程:

(19)

式中:bit為Q個(gè)鐵塔結(jié)點(diǎn)載荷中的第t載荷為單位值,作用于此失效模式中q-1個(gè)元件已失效結(jié)構(gòu)時(shí),q元件中產(chǎn)生的內(nèi)力,稱為輸電鐵塔載荷影響系數(shù);Ait為t屬于q-1個(gè)鐵塔已失效元件時(shí),ait為輸電鐵塔中第t元件的抗力形成的結(jié)點(diǎn)載荷為單位值,作用于q-1個(gè)元件已失效結(jié)構(gòu)時(shí),q元件中產(chǎn)生的內(nèi)力;t=q時(shí),ait=1,t為非失效失效元件時(shí),ait=0,稱為輸電鐵塔抗力影響系數(shù);[σt]為t的容許應(yīng)力。

第i個(gè)輸電鐵塔失效模式安全余量的均值為:

(20)

第i個(gè)輸電鐵塔失效模式安全余量的均方差為:

(21)

式中:ρ[σ]jt為[σj]和[σt]的相關(guān)系數(shù);ρPkt為Pk和Pt的相關(guān)系數(shù)。

故兩輸電鐵塔失效模式間相關(guān)系數(shù)可根據(jù)式(13)進(jìn)行計(jì)算:

(22)

3.5 輸電鐵塔系統(tǒng)可靠度計(jì)算

為計(jì)算輸電鐵塔結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度,本研究將所有輸電鐵塔失效模式按照可靠度進(jìn)行數(shù)量級(jí)排序。選取可靠度最低的失效模式作為一個(gè)代表模式,計(jì)算其他輸電鐵塔失效模式與代表失效模式間的相關(guān)系數(shù)ρ1j,把p1j≥ρ0的所有模式作為一組,以代表模式的失效概率P1(約等于該失效模式中第rq個(gè)桿件)作為這一組鐵塔失效模式的失效概率。對剩下的輸電鐵塔失效模式重復(fù)數(shù)量級(jí)排序與相關(guān)系數(shù)計(jì)算工作,直至所有輸電鐵塔失效模式全部分組完畢,并得到G個(gè)鐵塔代表模式。將三類核心桿件的損傷作為主要失效模式,通過輸電鐵塔代表性失效模式間獨(dú)立性判斷,輸電鐵塔結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效概率可表達(dá)為:

(23)

式中:Pi=Pi-1+Pi-2+Pi-3+Pi-4+Pi-5;n為核心度等級(jí);α1、α2、α3分別為鐵塔覆冰、風(fēng)載、年久劣化指標(biāo),依據(jù)表1進(jìn)行判定,取其子指標(biāo)最嚴(yán)重狀態(tài)為該項(xiàng)目狀態(tài),正常與一般狀態(tài)時(shí)取1、嚴(yán)重狀態(tài)取1.05、危機(jī)狀態(tài)取1.20。

輸電鐵塔結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)β為:

(24)

式中:αi稱為靈敏度系數(shù),它表示結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中第i個(gè)隨機(jī)變量對標(biāo)準(zhǔn)差的相對影響:

(25)

式中:ρij為Xi與Xj之間的相關(guān)系數(shù);σXi為隨機(jī)變量Xi的標(biāo)準(zhǔn)差。

3.6 算例驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文提出的輸電鐵塔結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度算法的準(zhǔn)確性與科學(xué)性,本文選取浙江500 kV陽儀線ZMS5222直線塔進(jìn)行算例分析。該塔為典型ZM貓頭塔,服役年限為15年,鐵塔塔呼高63 m,塔身段45 m,鐵塔根開為9 m,塔頭13 m。鐵塔均采用Q235鋼材,材料彈性模量E為206 GPa,角鋼厚度均小于16 mm,抗拉抗壓計(jì)算時(shí)f取215 N/mm2。依托實(shí)際情況建立該鐵塔ANSYS有限元計(jì)算自然工況下輸電鐵塔軸向應(yīng)力,見圖5,展開輸電鐵塔核心桿件分析。

圖5 ANSYS有限元分析模型

基于模擬結(jié)果,根據(jù)表2完成核心桿件分類。計(jì)算發(fā)現(xiàn),該塔貓頭部分承受荷載與設(shè)計(jì)極限荷載承載能力最為接近,塔身中上部區(qū)域承受荷載較大,且主材較弱,為一、二類桿件聚集區(qū)域,鐵塔根開端為三類桿件主要聚集區(qū)域,為結(jié)構(gòu)相對安全區(qū),與實(shí)際情況一致。

根據(jù)本文所述內(nèi)容分別建立安全余量方程、求得鐵塔元件與各失效模式可靠度指標(biāo)、確定各失效模式間相關(guān)系數(shù),本節(jié)不再贅述。輸電鐵塔結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度計(jì)算過程量見表4～5。

表4 輸電鐵塔結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度計(jì)算過程量

表5 輸電鐵塔結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度計(jì)算

將表4數(shù)據(jù)代入式(16)進(jìn)行計(jì)算,可計(jì)算出該塔的失效概率與可靠度:

0.001107

(26)

經(jīng)本文提出的系統(tǒng)可靠度方法計(jì)算,500 kV陽儀線直線型鐵塔失效概率為0.001 107,相應(yīng)的桿塔可靠度指標(biāo)β為3.05,滿足《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》中二級(jí)構(gòu)件承載能力可靠度β界限3.20,屬于正常服役狀態(tài),但接近可靠度上限,在其輸電線路中處于較薄弱環(huán)節(jié)。分析其子項(xiàng)可靠度因素,發(fā)現(xiàn)是由于年久劣化引起的螺栓、構(gòu)件銹蝕與桿塔橫擔(dān)歪斜現(xiàn)象導(dǎo)致。計(jì)算結(jié)果同實(shí)際狀況一致,本文提出的基于桿件核心度的輸電鐵塔健康狀態(tài)系統(tǒng)可靠度計(jì)算方法可較準(zhǔn)確地定量表征輸電鐵塔在一定工況下的健康狀態(tài)。

4 結(jié) 論

本文綜合考慮輸電鐵塔主要劣化因素,建立了一套基于系統(tǒng)可靠性理論的輸電鐵塔結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)定量評估方法,并完成了實(shí)塔算例驗(yàn)證,具體研究結(jié)論為如下。

1) 構(gòu)建了一套“結(jié)構(gòu)狀態(tài)-荷載響應(yīng)”式輸電鐵塔健康狀態(tài)指標(biāo)評價(jià)體系及具體評定細(xì)則,為整合服役工況及年限、具體劣化構(gòu)件等異域指標(biāo)進(jìn)行鐵塔健康狀態(tài)評價(jià)提供指標(biāo)基礎(chǔ)。

2) 提出了一種基于桿件強(qiáng)度極限狀態(tài)與失穩(wěn)極限狀態(tài)的輸電鐵塔桿件核心度的分類方法,進(jìn)一步增加輸電鐵塔健康狀態(tài)定量評價(jià)的準(zhǔn)確度與科學(xué)性。

3) 建立了一套基于系統(tǒng)可靠性理論的輸電鐵塔結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)可靠性評估方法,定義輸電鐵塔主要失效模式與相關(guān)系數(shù),綜合服役年限、工況、構(gòu)件劣化水平等指標(biāo)定量評價(jià)輸電鐵塔可靠度。為輸電線路內(nèi)薄弱鐵塔定位及具體薄弱環(huán)節(jié)確定提供了理論基礎(chǔ),可進(jìn)一步指導(dǎo)鐵塔檢修周期、特塔特檢等實(shí)際鐵塔維檢難題。

(附錄詳見下頁)

附錄:

表S1 輸電鐵塔健康狀態(tài)指標(biāo)評定細(xì)則