地震动水平-摇摆倾斜分量耦合作用下输电塔线体系动力响应及倒塌破坏研究

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输电塔这类高柔结构高度大、侧向刚度低,地震动摇摆倾斜分量对其有较大影响,因此,在抗震设计时,忽略地震动摇摆倾斜分量的作用可能导致输电塔线体系存在较大安全隐患。而已有的输电塔线体系地震响应和倒塌破坏研究中,极少考虑摇摆倾斜分量。这一方面是其没有受到足够重视,更重要的原因却是由于摇摆倾斜分量实测记录的缺乏。
  本文针对以上问题,研究了地震动摇摆倾斜分量的提取,地震动水平-摇摆倾斜耦合作用下输电塔线体系的动力响应和倒塌破坏机理。主要研究内容与相应结论如下:
  (1)在Graizer提出的谱比法基础上,引入摇摆倾斜位移与竖向速度的频率图谱相似性,建立了利用多尺度小波变换及阈值处理提取地震动摇摆倾斜分量的新方法,并提取了1994年Northridge地震Pacoima站点原始水平地震记录中混入的摇摆倾斜分量,提取出的摇摆倾斜分量的残余倾斜位移与震后加州强震观测小组的实测记录基本吻合;此外,基于两点差理论和多维振动台试验,进一步验证了基于此新提取方法的可行性与准确性。
  (2)进行了三塔两线体系缩尺模型在地震动水平-摇摆倾斜耦合作用等工况下的三维振动台试验,结果表明摇摆倾斜分量会显著放大结构的地震响应,且由于地震动摇摆倾斜位移的不对称性导致结构产生不对称的附加P-△效应,从而导致塔顶水平位移时程曲线出现不对称的单侧偏移。
  (3)推导了输电塔线体系在地震动水平-摇摆倾斜耦合作用下的纵、侧向非线性振动方程,方程中,结构总P-△效应被分为常规P-△效应和摇摆倾斜位移导致的附加P-△效应;提出两种考虑与不考虑摇摆倾斜位移导致的附加P-△效应的动力响应计算理论并进行计算,通过与振动台试验结果的对比,本文推导的考虑摇摆倾斜位移造成的附加P-△效应的方程得到验证。
  (4)探讨了输电塔杆件失效与结构倒塌判定准则,通过用户材料子程序VUMAT编写了杆件失效控制程序,基于ABAQUS非线性动力时程分析和提取出的Northridge地震动摇摆倾斜分量,模拟了ZC27153型大跨越四塔三线体系在地震动水平和水平-摇摆倾斜耦合作用下的倒塌破坏过程,全面讨论了摇摆倾斜分量对输电塔线体系倒塌破坏机理的影响。杆件失效情况和局部变形、节间位移角、塔顶相对位移等指标综合表明,水平-摇摆倾斜耦合工况下的输电塔线体系倒塌破坏程度明显更加严重,摇摆倾斜分量加剧了输电塔的倒塌破坏。
  (5)在水平-摇摆倾斜耦合工况下,由于摇摆倾斜位移的不对称性,结构产生了不对称的附加P-△效应,此效应不断积累,最终导致输电塔线体系产生整体倾覆式倒塌破坏,而纯水平地震工况下无整体式倒塌破坏发生。
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