一种特高压输电杆塔结构抗震性能评估方法及系统

摘要

一种特高压输电杆塔结构抗震性能评估方法，包括：将待评估地点的地震记录带入预先构建的特高压输电塔概率地震需求模型得到特高压输电杆塔在不同地震动下超过损伤指标极限值的条件概率；基于所述条件概率结合待评估地点遇到地震动参数的概率得到特高压输电杆塔在待评估地点概率地震环境发生不同损伤等级的概率评估特高压输电杆塔结构的抗震性能；其中，所述特高压输电杆塔概率地震需求模型是基于修正的节间位移角和指定的谱加速度作为地震动强度指标建立而成的。以概率的形式量化特高压输电杆塔结构的抗震性能，为地震作用下特高压输电杆塔结构的分析以及基于性能的特高压输电杆塔抗震提供技术支撑。

说明书

技术领域

本发明涉及电力工程防灾减灾领域，具体涉及一种特高压输电杆塔结构抗震性能评估方法及系统。

背景技术

基于性能的地震工程(performance-based earthquake engineering，PBEE)量化了结构物在地震作用下发生各等级破坏时的概率和经济社会损失，采用这种方法评价结构物的抗震性能具有以下特点：

(1)采用概率的角度研究结构的抗震性能，综合考虑了地震强度、结构参数的不确定性。

(2)把结构物在地震后的社会经济损失作为评价结构物安全性的指标，方便了建设投资中的决策分析和灾害保险的应用。

(3)是一种联合概率分析方法，把结构的总体地震风险评估分为几个层次，分别是结构需求评估，结构损伤评估，社会经济损失评估，以及场地的地震危险性评估。

如图2所示是基于性能的地震工程理论框架的示意图，图中以某输电塔为例，首先，根据地震动参数和地震需求参数之间的关系建立地震需求模型；然后，根据地震需求参数和损伤参数的关系建立地震损伤模型；最后根据损伤参数和地震损失之间的关系建立地震损失模型，对输电塔的地震损失进行评价，为决策提供依据。

使用基于性能的地震工程框架可以得到两个主要结果，如下：

(1)基于性能的地震工程理论框架可以得到的第一个结果是结构的易损性曲线(Loss Fragility Curve)。易损性曲线可以表示出在不同地震强度下损伤指标超过等级界限值的概率。根据理论框架，地震易损性曲线的求解过程通过联合各个子模型，再用积分方法得到超越概率。损失易损性曲线的总体表达为：

其中DV为与损失相关的指标，如震害修复时间和费用；DM为损伤指标；EDP为工程需求参数；IM为地震强度参数。G

G

G

G

(2)基于性能的地震工程理论框架得到的另一个结果是考虑场地条件结构的损失年超越概率曲线，即在某场地条件下，结构达到不同损害程度分别所对应的概率，其表达为：

式中：λ

输电线路是重要的生命线工程，随着电压等级的提高，跨越距离的增大，特高压输电杆塔结构的抗震安全性越来越受到重视，因此基于PBEE方法进行特高压输电杆塔结构在地震作用下的性能评估，保证特高压输电杆塔结构地震安全具有重要的意义和实际应用价值。目前基于PBEE方法研究多针对桥梁和低层框架结构，特高压输电杆塔结构在地震作用下的反应与桥梁和低层框架结构有较大不同，特高压输电杆塔结构的破坏模式、极限承载力和薄弱部位尚不清楚，需要选择合适的地震动参数、需求参数、损伤参数和损失参数。特高压输电杆塔结构抗震性能评估需要量化分析结构在特定地震环境下的危险性。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供一种特高压输电杆塔结构抗震性能评估方法，包括：

将待评估地点的地震记录带入预先构建的特高压输电塔概率地震需求模型得到特高压输电杆塔在不同地震动下超过损伤指标极限值的条件概率；

基于所述条件概率结合待评估地点遇到地震动参数的概率得到特高压输电杆塔在待评估地点概率地震环境发生不同损伤等级的概率评估特高压输电杆塔结构的抗震性能；

其中，所述特高压输电杆塔概率地震需求模型是基于修正的节间位移角和指定的谱加速度作为地震动强度指标建立而成的。

优选的，所述特高压输电塔概率地震需求模型的构建包括：

获取特高压输电杆塔结构在待评估地点的离散地震动记录和修正的节间位移角；

基于所述离散地震动记录和所述修正的节间位移角对特高压输电杆塔的有限元模型非线性时程分析得到地震动和修正的节间位移角的样本对；

基于所述样本对进行线性回归分析得到地震需求模型。

优选的，所述基于所述样本对进行线性回归分析得到地震需求模型包括：

将指定的谱加速度作为地震动强度指标；

将所述修正的节间位移角作为需求指标；

基于所述地震动强度指标和需求指标进行回归分析得到地震需求模型。

优选的，所述基于所述地震动强度指标和需求指标进行回归分析得到地震需求模型包括：

建立所述需求参数与地震动参数的指数回归关系式；

基于所述指数关系式使用最小二乘法进行一元线性回归得到需求指标和地震动参数的线性回归方程；

基于所述线性回归方程利用计量经济学一元线性回归理论得到所述地震动强度指标和需求指标的一元回归关系服从的分布建立所述地震需求模型。

优选的，所述基于所述条件概率结合待评估地点遇到地震参数的概率得到特高压输电杆塔在特定地点概率地震环境发生不同损伤等级的概率评估特高压输电杆塔结构的抗震性能包括：

基于预估的地震数据通过回归分析得到地震环境的风险性函数；

基于所述修正的节间位移角和地震动强度确定特高压输电杆塔结构损伤等级的划分标准；

基于所述条件概率和地震环境的风险性函数得到特高压输电杆塔在待评估地点上需求参数超过某一阈值的概率；

基于所述概率结合特高压损伤等级划分标准得到特高压输电杆塔在待评估地点概率地震环境发生不同损伤等级的概率评估特高压输电杆塔结构的抗震性能。

优选的，所述基于预估的地震数据通过回归分析得到地震环境的风险性函数包括：

基于指定谱加速度作为强度指标的地震动参数建立所述谱加速度的幂律分布式；

基于所述幂律分布式进行回归分析得到地震环境的风险性函数。

优选的，所述特高压输电杆塔在待评估地点上需求参数超过某一阈值的概率如下式所示：

H

式中：IM：为地震动强度指标；H

优选的，所述基于所述修正的节间位移角和地震动强度确定特高压输电杆塔结构损伤等级的划分标准包括：

以修正的节间角位移为横轴，不同地震动强度下塔底剪力为纵轴建立静力推覆曲线；

基于所述静力推覆曲线得到曲线中线弹性段最大的修正节间位移角为弹性修正的节间位移角的限值；

基于所述限值以限值的倍数划分特高压输电杆塔结构损伤等级。

基于同一种构思，本发明提供了一种特高压输电杆塔结构抗震性能评估系统，包括：条件概率计算模块、抗震性能评估模块和模型构建模块；

所述条件概率计算模块，将待评估地点的地震记录带入预先构建的特高压输电塔概率地震需求模型得到特高压输电杆塔在不同地震动下超过损伤指标极限值的条件概率；

所述抗震性能评估模块，基于所述条件概率结合待评估地点遇到地震动参数的概率得到特高压输电杆塔在待评估地点概率地震环境发生不同损伤等级的概率评估特高压输电杆塔结构的抗震性能；

所述模型构建模块，特高压输电杆塔概率地震需求模型是基于修正的节间位移角和指定的谱加速度作为地震动强度指标建立而成的。

优选的，所述模型构建模块包括：数据获取子模块、样本对获取子模块和线性回归分析子模块；

所述数据获取子模块，获取特高压输电杆塔结构在待评估地点的离散地震动记录和修正的节间位移角；

所述样本对获取子模块，基于所述离散地震动记录和所述修正的节间位移角对特高压输电杆塔的有限元模型非线性时程分析得到地震动和修正的节间位移角的样本对；

所述线性回归分析子模块，基于所述样本对进行线性回归分析得到地震需求模型。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

一种特高压输电杆塔结构抗震性能评估方法，包括：将待评估地点的地震记录带入预先构建的特高压输电塔概率地震需求模型得到特高压输电杆塔在不同地震动下超过损伤指标极限值的条件概率；基于所述条件概率结合待评估地点遇到地震动参数的概率得到特高压输电杆塔在待评估地点概率地震环境发生不同损伤等级的概率评估特高压输电杆塔结构的抗震性能；其中，所述特高压输电杆塔概率地震需求模型是基于修正的节间位移角和指定的谱加速度作为地震动强度指标建立而成的。以概率的形式量化特高压输电杆塔结构的抗震性能，为地震作用下特高压输电杆塔结构的分析以及基于性能的特高压输电杆塔抗震提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明一种特高压输电杆塔结构抗震性能评估方法的步骤流程图；

图2为基于性能的地震工程框架示意图；

图3为修正的节间位移角示意图；

图4为节间示意图；

图5为特高压原型塔ZM2有限元模型图；

图6为地震动分区图；

图7为地震动记录的反应谱图；

图8为特高压ZM2塔修正的节间位移角概率需求模型图；

图9为损伤指标为修正的节间位移角时不同损伤等级的易损性曲线图；

图10为场地A的加速度反应谱曲线图；

图11为场地B的加速度反应谱曲线图；

图12为场地A和场地B的危险性图；

图13为场地A特高压输电塔修正的节间位移角需求危险性曲线图；

图14为场地B特高压输电塔修正的节间位移角需求危险性曲线图；

图15为场地A和场地B特高压输电塔修正的节间位移角需求危险性曲线对比图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

实施例1：

本发明提供一种特高压输电杆塔结构抗震性能评估方法，如图1所示包括：

步骤1：将待评估地点的地震记录带入预先构建的特高压输电塔概率地震需求模型得到特高压输电杆塔在不同地震动下超过损伤指标极限值的条件概率；

步骤2：基于所述条件概率结合待评估地点遇到地震动参数的概率得到特高压输电杆塔在待评估地点概率地震环境发生不同损伤等级的概率评估特高压输电杆塔结构的抗震性能；

其中，所述特高压输电杆塔概率地震需求模型是基于修正的节间位移角和指定的谱加速度作为地震动强度指标建立而成的。

其中步骤1具体包括：

(1)建立特高压输电塔概率地震需求模型

特高压输电塔概率地震需求模型可以描述在某场地条件下地震动强度IM在特高压输电塔上产生的需求EDP。本发明特征是采用云图法建立概率地震需求模型。

云图法是利用结构所在场地情况的离散地震动记录，对结构的有限元模型进行非线性时程分析，得到地震动IM和需求EDP的样本对，并对样本对进行回归分析得到地震需求模型。

本发明的特征是采用Sa(T1，2％)作为地震动的强度指标。

本发明的特征是采用修正的节间位移角作为需求指标。

本发明提出修正的节间位移角(ISDR)，如图3所示是指是指在多遇地震标准值作用下的特高压输电杆塔结构扣除旋转变形后的节间的最大水平位移与节间高度之比。不是直接把结构的层间位移角概念应用于输电塔，而是扣除了输电塔结构每个节间的底部(不包括第一节间)发生的旋转变形。在《建筑结构抗震设计规范》GB 50010-2010中规定如果高层建筑的高度超过150m，或是高宽比大于6时，可以扣除结构的整体弯曲产生的楼层水平绝对位移值。

式中：i是节间编号；ISDR(i)是第i个节间修正的节间位移角；t是在时程响应分析中的t时刻；u

对于塔身及以下部位，按照完整的节段划分，如图4所示。对于塔头部位，节间的划分考虑与塔身部位的节间高度接近。

特高压输电杆塔结构需求参数

其中c，b为回归系数，对等式两边取对数，使用最小二乘法，进行一元线性回归，得到：

式中ε为残差。

记y＝ln(EDP),x＝ln(IM),a＝ln(c)

由一元线性回归理论，对给定的x

式中，t[(n-2)]表示自由度为(n-2)的t分布，n为样本数，其中：

(2)特高压输电塔地震易损性分析

特高压输电塔地震易损性是指在不同参数的地震动作用下，特高压输电塔地震反应超越特高压输电塔损伤指标限值的条件概率。在特高压输电塔地震易损性分析中，有三个参数：地震动参数IM、特高压输电塔地震需求参数EDP以及损伤指标限值d。特高压输电塔地震易损性分析就是在特定的地震动参数(IM)下，特高压输电塔地震需求参数(EDP)超过损伤指标限值d的概率，即F

由公式(5)得：

式中：T

本发明的特征是特高压输电杆塔结构损伤等级与损伤指标对应关系，得到不同破坏等级对应的修正的节间位移角，如表1所示。

表1特高压输电杆塔结构损伤等级表

步骤2具体包括：

(1)场地的危险性分析

地震需求危险性分析首先要进行场地危险性分析。地震是一种随机性事件，很难确定一个地点的地震动在将来何时发生，以及有多强。然而，场地未来阶段可能发生的地震的强度和频率可以用概率的形式表示，场地的危险性分析可实现预测和估计未来某一地区可能遇到的地震运动参数概率。场地的危险性函数是指在特定的场地条件下，地震动强度参数超越某阈值的概率，记为H

在上述理论的基础上，通过回归分析得到场地的风险性函数，其中k和k

回归分析所需的数据点可从现场安全评估报告中获得。例如，当IM为Sa时，由场地的三水准加速度谱提供的数据可以确定场地的风险性函数。

(2)特高压输电塔概率地震需求危险性分析

建立特高压输电塔概率地震需求模型后，结合场地的危险性分析，得到特高压输电塔在某场地上地震需求参数(EDP)超过某一极限值d的概率，即特高压输电塔在该场地的概率地震需求危险性，简称概率地震需求危险性，表示为：

H

由式(9)得：

P[EDP>d|IM]＝F

代入(10)得：

H

特高压输电塔的概率地震需求危险性分析，结合了地震易损性分析和场地危险性分析，以概率为指标评定特高压输电塔在该场地下的危险性。

本发明主要解决的技术问题是，特高压输电杆塔结构损伤评估的问题，提供一种评估方法，采用修正的节间位移角作为损伤指标，首先，建立概率地震需求模型；然后，通过地震易损性分析得到结构的特定破坏状态的易损性；最后，通过概率地震需求危险性分析得到结构在特定地震环境下的危险性。

实施例2：

基于同一种构思本发明还提供了一种特高压输电杆塔结构抗震性能评估系统，包括：条件概率计算模块、抗震性能评估模块和模型构建模块；

所述条件概率计算模块，将待评估地点的地震记录带入预先构建的特高压输电塔概率地震需求模型得到特高压输电杆塔在不同地震下超过损伤指标极限值的条件概率；

所述抗震性能评估模块，基于所述条件概率结合待评估地点遇到地震参数的概率得到特高压输电杆塔在待评估地点概率地震环境发生不同损伤等级的概率评估特高压输电杆塔结构的抗震性能；

所述模型构建模块，所述特高压输电杆塔概率地震需求模型是基于修正的节间位移角和指定的谱加速度作为地震动强度指标建立而成的。

优选的，所述模型构建模块包括：数据获取子模块、样本对获取子模块和线性回归分析子模块；

所述数据获取子模块，获取特高压输电杆塔结构在地震环境的离散地震动记录和修正的节间位移角；

所述样本对获取子模块，基于所述离散地震动记录和所述修正的节间位移角对特高压输电杆塔的有限元模型非线性时程分析得到地震强度和修正的节间位移角的样本对；

所述线性回归分析子模块，基于所述样本对进行线性回归分析得到地震需求模型。

优选的，所述线性回归分析子模块包括：回归关系式计算子模块、回归线性方程确立子模块和建立模型子模块；

所述回归关系式计算子模块，建立所述需求参数与地震动强参数的指数回归关系式；

所述回归线性方程确立子模块，基于所述指数关系式使用最小二乘法进行一元线性回归得到需求指标和地震动强参数的线性回归方程；

所述建立模型子模块，基于所述线性回归方程利用计量经济学一元线性回归理论得到所述地震动强度指标和需求指标的一元回归关系服从的分布建立所述地震需求模型。

优选的，所述抗震性能评估模块包括：风险函数计算子模块、损伤等级划分子模块、概率计算子模块和性能评估子模块；

所述风险函数计算子模块，基于预估的地震数据通过回归分析得到地震环境的风险性函数；

所述损伤等级划分子模块，基于所述修正的节间位移角和地震动强度确定特高压输电杆塔结构损伤等级的划分标准；

所述概率计算子模块，基于所述条件概率和地震环境的风险性函数得到特高压输电杆塔在待评估地点上需求参数超过某一阈值的概率；

所述性能评估子模块，基于所述概率结合特高压损伤等级划分标准得到特高压输电杆塔在待评估地点概率地震环境发生不同损伤等级的概率评估特高压输电杆塔结构的抗震性能。

实施例3:

概率地震需求分析是基于性能的地震工程理论框架中与结构地震安全性能相关的部分(另一部分与地震损害的社会经济损失相关)。该分析包括三个主要部分：(1)首先，建立概率地震需求模型；(2)然后，通过地震易损性分析得到结构的特定破坏状态的易损性；(3)最后，通过概率地震需求危险性分析得到结构在特定地震环境下的危险性。

本发明选择基于PBEE方法对特高压输电杆塔结构地震作用下性能评估进行研究，针对特高压输电杆塔结构特有的问题作为突破口，给出合理的性能指标，以概率的形式量化特高压输电杆塔结构的抗震性能，为强地震作用下特高压输电杆塔结构的分析以及基于性能的特高压输电杆塔抗震提供技术支撑。

在基于概率的特高压输电杆塔结构的抗震性能评估方面，主要存在的问题有：特高压输电杆塔结构在地震作用下的反应与桥梁和低层框架结构有较大不同，特高压输电杆塔结构的破坏模式、极限承载力和薄弱部位尚不清楚，需要选择合适的地震动参数、需求参数、损伤参数和损失参数。

本发明提出了基于概率的特高压输电杆塔结构抗震性能评估方法，并采用修正的节间位移角作为损伤指标，首先，建立概率地震需求模型；然后，通过地震易损性分析得到结构的特定破坏状态的易损性；最后，通过概率地震需求危险性分析得到结构在特定地震环境下的危险性。

(1)建立特高压输电塔模型

如图5所示，特高压输电塔模型使用原型试验塔ZM2，外形为猫头型，呼高为59m，全高79.3m，根开16.66m，塔重59吨。主材1及塔头下曲臂部分主材1采用Q420高强钢。采用OpenSees建立特高压原型试验塔有限元模型，选用梁杆混合单元模型，主材1和斜材2采用梁单元模拟，辅助材3采用杆单元模拟，有限元模型钢材选用Steel02模拟，钢材本构选用Giuffre-Menegotto-Pinto模型。

(2)地震动选取

选取地震震级和震中距作为基本参数。将该平面划分为四个基本地震区，并在每个基本地震区选择适当的地震记录。为了在选取较少地震动的情况下，考虑地震动的随机性和离散性，对于地震震级，本发明采用6.5级区分大震和小震，对于震中距，本发明采用不考虑震中距15km以下的地震记录以消除近断层效应的干扰，并采用震中距为30km区分近场地震和远场地震。本大名采用分区法选取的40个地震动均匀分布在4个区域内，合理地表征了地震动的随机性。选用的地震记录表见表2，地震动分区图见图6，地震记录反应谱见图7。

表2选用的地震记录表

(4)基于谱加速度Sa的特高压输电塔概率需求模型

首先利用OpenSEES，以40条地震记录作为激励，对经过试验验证的有限元模型进行非线性时程分析，以谱加速度Sa和对应的修正的节间位移角ISDR作为样本对进行回归分析，参照公式(4)得到的回归直线的形式为：

ln(ISDR)＝bln(S

特高压ZM2塔修正的节间位移角的概率地震需求模型：

ln(ISDR)＝0.7783ln(S

线性回归拟合优度r

(5)特高压输电塔易损性分析

建立概率需求模型以后，得到特高压输电杆塔结构在不同损伤等级的易损性曲线，如图9所示。

(6)场地的危险性分析

场地A和场地B的加速度反应谱曲线如图10和图11所示，场地A的基本周期是0.2s，为I类场地，场地B的基本周期是0.35s，为II类场地。

由图12可知，随着地震动强度的增大，不同场地上的年超越概率均不断减小，说明强度越大的地震动，发生的可能性越小。B场地的场地危险性曲线低于在A场地的场地危险曲线，说明在A场地上比在B场地上更容易发生较大强度的地震动。

(7)概率地震需求危险性分析

求解A场地以修正的节间位移角ISDR为EDP参数的概率地震需求危险性曲线如图12所示。

由图13、图14和图15可见，随着修正的节间位移角的增大，年超越概率有明显减小趋势。场地B特高压输电塔概率需求危险性曲线低于场地A的曲线，说明同一的修正的节间位移需求下，场地B的年超越概率小于场地A的。

表6-3特高压输电塔在不同场地和不同破坏状态的失效概率

由表3得到了特高压输电塔在不同场地和不同破坏状态的失效概率。

本发明主要解决的技术问题是，特高压输电杆塔结构损伤评估的问题，提供一种评估方法，采用修正的节间位移角作为损伤指标，首先，建立概率地震需求模型；然后，通过地震易损性分析得到结构的特定破坏状态的易损性；最后，通过概率地震需求危险性分析得到结构在特定地震环境下的危险性。

(1)本发明提出建立概率地震需求模型的方法。

(2)本发明特征是采用云图法建立概率地震需求模型。

(3)本发明的特征是采用Sa(T1，2％)作为地震动的强度指标。

(4)本发明的特征是采用修正的节间位移角作为需求指标。

(5)本发明提出修正的节间位移角(ISDR)，是指是指在多遇地震标准值作用下的特高压输电杆塔结构扣除旋转变形后的节间的最大水平位移与节间高度之比。

(6)本发明使用的节间，是相对均匀的在全塔上分布，对于塔身及以下部位，按照完整的节段划分。对于塔头部位，节间的划分考虑与塔身部位的节间高度接近。

(7)本发明对特高压输电杆塔结构进行特高压输电塔地震易损性分析。

(8)本发明的特征是特高压输电杆塔结构损伤等级与损伤指标对应关系，得到不同破坏等级对应的修正的节间位移角，如表1所示。

表1特高压输电杆塔结构损伤等级表

(9)建立特高压输电塔概率地震需求模型后，结合场地的危险性分析，得到特高压输电塔在某场地上地震需求参数(EDP)超过某一极限值d的概率，即特高压输电塔在该场地的概率地震需求危险性。

显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。