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高耸结构风振响应和风振疲劳研究

王世村  
【摘要】:高耸结构是一种特殊的结构形式,具有高度高、重量轻、刚度小、外形细长等特点,广泛应用于电力、通讯、广播电视等领域。高耸结构的外形特征决定了风荷载是其控制荷载,随着需求的提高和技术的进步,高耸结构日益向着更高、更轻、更柔的方向发展,使得对风荷载的敏感性进一步增强。 为了研究高耸结构在强风作用下的振动特性,本文对一自立式单杆输电塔进行了风洞试验研究。根据相似原理设计制作了气弹模型,在均匀流场中测定了模型的气动力系数,在风洞中模拟了大气边界层流场,在紊流流场中测定了模型振动响应,并将试验结果换算到实物,作为设计和计算的依据。 采用谐波叠加法模拟了脉动风速时程样本,在时域内计算了结构的顺风向动力响应。在频域内分别采用阵风因子法和荷载组合法计算了顺风向等效静力风荷载,并与我国规范规定的风振系数法进行了比较。考虑了风与结构耦合作用的影响,计算了结构的气动阻尼力。用随机振动方法计算了结构的横风向响应。将计算结果和风洞试验结果进行了比较和分析。 用基于疲劳累积损伤理论的S-N曲线法分析了高耸结构的风振疲劳问题。在时域内用雨流法统计了应力时程的幅值分布。在频域内分别用等效应力法和等效窄带法计算了累积损伤。在等效窄带法的基础上,通过将响应的背景分量和共振分量分开考虑,提出了一种新的改进算法,避免了计算应力谱的复杂计算。通过对计算结果的比较,证明了该方法的可行性。 研究了将疲劳裂纹扩展理论应用于风振疲劳问题。考虑平均风速的分布的影响,建立了随机荷载作用下的疲劳裂纹扩展模型。用零记忆非线性变换法模拟了满足Weibull分布和一定相关性的平均风速时间样本,计算了结构主裂纹扩展的时间样本,根据Monte-Carlo方法得出了给定时间的裂纹尺寸分布。推导了二次矩近似法的计算公式,用对数正态模型模拟了裂纹尺寸和到达时间的分布。计算了给定时间的破坏概率。分析了影响裂纹扩展的几个主要因素。


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