钢结构变电构架基于损伤下的可靠性分析-结构工程专业论文.docxVIP

摘 摘 要 1．绪论 建筑物在自然环境中的老化、破损是一个必然的、不可逆转的过程。结构的全 寿命过程基本上可以划分为三个主要阶段，即建造阶段、使用阶段和老化阶段。据调 查，结构在全寿命过程中平均失效率较高的是建造阶段和老化阶段，而老化阶段也是 当前结构可靠度领域研究较少的阶段。所以，为了提高结构的可靠性，不仅要提高结 构可靠度的设计水平，更现实的任务是研究现役结构的可靠性评定理论及维修决策方 法。 根据对某电网的变电站建筑物调查，有相当数量的变电构架存在老化和劣化现 象，一些结构表面出现了碳化、锈蚀，混凝土构件出现了保护层脱落、掉块，钢筋锈 涨等破损现象，直接威胁到这些结构的正常使用。在现代社会中，电作为一种能源已 经成为发展国民经济必不可少的物质基础，其重要性不言而喻。如果其中的基本结构 ——变电构架一旦出现损毁、倒塌事故，其后果将极其严重。 由于变电构架的类型繁多、数量庞大，对所有结构进行无区别的全面加固和修 复是不现实的，在经济上也是不合理的。这就需要按照结构质量现状分轻重缓急进行 加固和改造，以减少不必要的费用和开销。因此有必要针对电力系统变电构架进行基 于损伤下的可靠性鉴定和分析方法和技术的研究，以科学的方法对现役变电构架可靠 性做出评判。 长期以来对现役结构的可靠性评定历经了传统经验法、综合鉴定法、实用鉴定 法等。发展到今天，多通过可靠性鉴定标准对建筑物进行可靠性鉴定评级，在此基础 上发展起来的有破损机构法、模糊性综合评判等方法。鉴定评级的方法虽然容易操作， 但可靠性鉴定标准的发展趋势是进行结构的可靠度数值计算，剩余寿命法、模糊可靠 度法、Monte Carlo法正是计算结构可靠度的有力工具。此外，随着某些理论的出现、 和完善，一些新的方法如建立专家系统方法、遗传算法、神经网络方法等逐步起步并 进入实用阶段。 鉴于本文的研究目的，并借鉴国内外的研究成果，本文拟采用Monte carlo一有 限元方法进行基于损伤下变电构架的可靠性分析。 2．基于损伤下结构可靠性分析的基本原理 本文所采用的方法涉及到的基本原理主要包括可靠度理论、有限元理论、Monte Carlo基本理论、灵敏性理论等。 对于现役结构的可靠度评定是以结构可靠度设计的概念和实用方法为基础发展 起来的，目前使用较多的是基于可靠度理论的概率极限状态设计法。这种方法首先给 结构的极限状态明确的定义：整个结构或其一部分超过某一特定状态就不能满足设计 规定的某一功能要求，这个状态就称为极限状态。结构的极限状态方程可以表示为： Z----R—其中R和S分别为用随机变量表示的结构的抗力和荷载响应，通过极限状 态方程就可以得出结构的失效概率，或者是用可靠指标表示的结构的可靠度。 态方程就可以得出结构的失效概率，或者是用可靠指标表示的结构的可靠度。 有限元法是将一个连续的结构分割为许多小的单元，单元之间在节点处互相连 接。如果能合理的求出每个单元的弹性特征，就可以求出这个组合结构的弹性特征。 这样在一定的约束条件下，在给定的荷载作用下，就可以求出各节点的位移，进而求 出单元内的应力。有限单元法与现代计算机技术的紧密结合，是对结构进行分析的有 效途径。 Monte Carlo法是从同一母体中抽取简单子样来做抽样试验。根据简单子样的定 1 月 义，xl，x2， ，x。是一个具有相同分布的独立随机变量，当足够大时，．i。．X，依 n百 概率收敛于Ⅳ，而频率m／n以概率收敛于P(A)。当用Monte Carlo法求解某一事件的 发生概率时，可以通过抽样试验的方法，得到该事件的出现概率，作为该问题的解。 应用Monte Carlo方法时，由于需要大量的统计试验，由人工进行计算将会比较困难。 电子计算机的发展，为Monte Carlo法提供了强有力的支持，使该方法得以用于工程 分析。 3．基于损伤下的变电构架可靠性计算过程和分析结果 通过查阅设计图纸和现场检测，对变电构架进行分类处理，分别建立空间有限 元模型。对结构存在的损伤同样进行分类，讨论不同的损伤类型对构件几何参数(截 面面积、惯性矩)的影响。编制三维有限元计算程序，用Monte Carlo的思想模拟结构 在不同损伤类型和损伤水平下结构的响应，并对计算结果进行统计处理，用结构可靠 指标的计算方法计算结构的可靠度。通过绘制可靠指标与损伤均值和变异系数的函数 图形，可以分析可靠指标随损伤发展的变化趋势。 由上述计算结果可以得出损伤对结构影响的一般规律，如：①非均匀损伤对结 构的影响要比均匀损伤严重；②变异系数愈大，可靠指标就越低，其下降的幅度也 就越大等。 4．变电构架可靠度的灵敏性分析 为了能够提高对于变电构架可靠性计算的准确性和有效性，需要对所采用的数 据区别对待，需要寻找哪些因素对结构的可靠性有较大的影响及有什么影