基于多尺度分析的高压输电铁塔状态评估基础理论和方法研究

High-voltage transmission tower is complex structure with a considerable number of bars, in the service period, due to environmental erosion, material aging, fatigue loading, sudden overload and other factors, it will lead to damage accumulation and resistance decay of components and connection nodes, and it can be easily collapsed under extreme conditions. On the basis of existing research, the consistent multi-scale numerical simulation, experimental study and structural analysis methods of transmission towers by taking into account multi-scale as well as multi-physics field coupling are presented. The damage mechanism and failure mode of high-voltage transmission tower under extreme environmental loads are investigated. The long-term dynamic response attenuation law of key nodes on tower under multi-field coupling is studied in order to revealing fatigue damage mechanism in the complex alternating stress state, and the cumulative damage assessment method based on long-term dynamic response of multi-field coupling is conducted. Based on multi-scale analysis methodology with consider of local defects and damage evolution process, the advanced signal processing technology is applied to model experiment, and the smart damage identification method of high-voltage transmission tower is proposed. By studying the safety assessment theory and methods of key nodes, components and the whole structure of high-voltage transmission tower, the state assessment theoretical model of high-voltage transmission tower in service life is established. The results can give some important significance on the design, reinforcement and repairing of high-voltage transmission tower, and it can ensure power grids in safety operation.

高压输电铁塔结构复杂、杆件众多，在服役期内由于环境侵蚀、材料老化、疲劳荷载以及突发过载等因素作用下将导致构件以及连接节点的损伤积累和抗力衰减，容易发生极端条件下的动态倒塔破坏。在已有研究的基础上，提出多尺度和多场耦合作用下高压输电铁塔一致多尺度数值模拟、试验研究和分析方法，研究高压输电铁塔在极端环境荷载作用下结构的损伤破坏机理和失效模式；研究关键节点在多场耦合因素下长期动力响应衰减规律，揭示关键节点在复杂交变应力下的疲劳损伤机理，建立基于长期动力响应与多场耦合效应的累积损伤评估方法；基于多尺度分析考虑局部缺陷和损伤演变规律，利用先进信号处理技术并结合试验研究，建立高压输电铁塔的智能损伤识别方法；研究高压输电铁塔结构关键节点、构件层次和整体层次的安全评定理论与方法，建立服役期高压输电塔的状态评估理论模型。本项目的研究成果可为高压输电铁塔的设计、加固维修以及保证电网安全运行具有重要意义。

高压输电铁塔结构复杂、杆件众多，在服役期内由于环境侵蚀、材料老化、疲劳荷载以及突发过载等因素作用下将导致构件以及连接节点的损伤积累和抗力衰减，容易发生极端条件下的动态倒塔破坏。基于以上研究背景，本项目开展了如下研究工作：. （1）建立了多尺度和多场耦合因素作用下的高压输电铁塔一致多尺度模拟方法，解决不同量级尺度下的模型之间的衔接影响区域的处理和有效的跨尺度计算；建立同步进行整体结构应力分析和局部损伤分析以及不同尺度的模型之间要能够衔接起来进行一致的并行非线性计算方法、计算模型和试验验证方法。以大跨越钢管塔为例，在多尺度模型分析的基础上，研究了高压输电铁塔在极端环境荷载（如覆冰、大风）作用下结构的损伤破坏机理和失效模式。. （2）开展了基于热弹塑性理论和多尺度分析的输电塔关键节点焊接残余应力分析，研究关键节点在外荷载及焊接应力场的等多场耦合因素下结构的响应变化规律，以大跨越钢管塔为例，分析相贯K型钢管节点残余应力对节点主管管壁塑性扩展及对节点极限承载力的影响程度。. （3）基于一致多尺度分析数值模型和试验模型，开展了构件与构件之间的连接、节点及构件内部的微小损伤识别研究，以螺栓的预紧力损失和裂纹发生扩展为损伤实例，利用先进的信号处理技术，建立了输电铁塔的智能损伤识别方法，该方法可考虑局部缺陷和损伤的演化及发展过程，识别精度更高。. （4）以某大型输电铁塔为例，基于概率统计方法和可靠度理论，建立服役期高压输电塔的状态评估理论模型，研究了覆冰和风等环境荷载作用输电塔的力学性能，采取雨流计数法进行应力幅循环统计分析，采用线性疲劳累积损伤准则计算了输电塔剩余疲劳寿命，同时采用蒙特卡洛法计算了结构的可靠指标。最后基于多尺度分析方法对某一服役期的特高压直线塔进行了加固技术研究。. 本项目发表学术论文19篇，其中被EI收录8篇，申请发明专利6项，已授权2项，出版学术专著1部。培养研究生7人，已毕业6人。