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江中大跨越输电塔结构撞击反应及其模型试验设计方法

倪辉辉  
【摘要】:船舶撞击作用是江中、海上大跨越输电塔的重要控制设计荷载之一,目前关于大跨越输电塔结构的撞击反应及其模型试验研究尚处于空白阶段。因此,有必要研究考虑高桩承台与大跨越输电塔共同作用的结构撞击反应特性,分析不同参数对撞击反应的影响,探讨该结构的撞击模型试验设计方法。本文建立了高桩承台-大跨越输电塔的整体有限元模型,分析考察上部塔架与基础共同作用的动力特性及其变化规律。以高桩承台抗侧刚度、撞击速度、撞击质量为参数,对比不同分析模型的结构撞击反应,分析上述参数对结构撞击反应的影响规律。最后,应用量纲分析法推导撞击试验模型的相似条件,设计原型结构和模型结构,并开展相应的撞击反应模拟和对比分析,探讨撞击模型试验设计方法的准确性。本文的主要内容如下:(1)大跨越输电塔结构动力特性分析应用ANSYS/LS-DYNA软件建立大跨越输电塔-高桩承台的整体有限元模型,分析考虑上部塔架与基础共同作用的动力特性;对比了上部杆塔、高桩承台基础及上部塔架-高桩承台基础整体结构的自振特性;探讨高桩承台抗侧、抗扭刚度变化对大跨越输电塔结构自振特性的影响规律。分析结果表明,大跨越输电塔-高桩承台基础的整体结构模型(即考虑上部杆塔与下部基础杆塔作用)的结构自振周期较上部杆塔结构大,且其振动模态与杆塔结构不同;高桩承台基础的抗侧、抗扭刚度越大,则整体结构自振周期越小,当其抗侧、抗扭刚度达到一定值后,结构自振周期变化较小。(2)大跨越输电塔结构撞击反应及其影响因素分析建立质量块撞击下江中大跨越输电塔结构动力反应的有限元模型,分析撞击过程中撞击力时程曲线特性和能量转化特点;考察结构受撞过程中大跨越输电塔在水平方向、竖直方向上变形特征、振幅和周期;对比不同抗侧刚度、撞击速度、撞击块质量时,撞击力和结构的撞击响应。分析结果表明:基础刚度下降时,结构撞击响应增大,撞击响应的周期和振幅均增大;撞击速度增大时,撞击响应周期基本不变,撞击力和撞击响应振幅均线性增大;撞击质量增大时,撞击响应周期基本不变,撞击力和撞击响应振幅与撞击质量的平方根呈线性关系。(3)大跨越输电塔结构撞击模型试验设计方法应用量纲分析法推导了模型设计的动力相似条件和冲击动力相似条件,建立原型结构和模型结构有限元模型,开展结构动力特性和撞击反应分析,将振幅、周期、撞击力等参量的相似比模拟值与理论值对比。分析结果表明:两种相似条件应用于结构动力特性分析时,与理论值均吻合较好;冲击动力相似条件应用于结构撞击反应分析时准确性更好,保证与原型结构的撞击响应周期和幅值相似,适用于大跨越输电塔结构的撞击模型试验设计。


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