高压输电塔结构的疲劳寿命分析_张卓群

高压输电塔结构的疲劳寿命分析

张卓群，李宏男，李东升，任亮，孙彤

（大连理工大学建设工程学部，辽宁省大连市116024）

摘

要：输电塔结构是高负荷电能输送的载体，是一种重要的生命线工程。结构疲劳损伤被视为工程领域重要的破坏

依据Miner线性疲劳累积损伤理论因素之一。选取500kV海宁—乔司II回路输电线路上的ZSZH型塔为研究对象，

N曲线，建立了一套完整的输电塔结构疲劳寿命分析方法。这种方法不仅重点强调了风荷载对输电塔疲劳和材料的S-同时也考虑输电塔结构在服役期内承受过的台风、覆冰、安装等一次性强荷载工况。通过对工程实例的仿现象的影响，

真分析，表明该文方法可以准确、高效地预测输电塔结构的疲劳寿命，为今后进一步的工程应用奠定了基础。关键词：输电塔；疲劳分析；疲劳损伤理论；疲劳寿命；风荷载

FatigueLifeAnalysisofHVTransmissionTowerStructure

ZHANGZhuoqun，LIHongnan，LIDongsheng，ＲENLiang，SUNTong

（FacultyofInfrastructureEngineering，DalianUniversityofTechnology，Dalian116024，LiaoningProvince，China）ABSTＲACT：Thestructureoftransmissiontowerisanimportantlifelineprojectasthecarrierofhighloadpower．Structuralfatiguedamagehasbeenconsideredasoneofthemostvitaldestructivefactorsincivilengineering．BasedontheMiner’slinearfatigueaccumulationruleandS-Ncurve，thefatiguelifeanalysismethodforZSZHtowerinthe500kVHaining-Qiaosidoublecircuittransmissionlinewasproposed．Inthefatigueanalysisproblemoftransmissiontowers，thismethodnotonlyemphasizesonwindloads，butalsoconsidersseveralextraordinaryseriousloadcasesduringthedesignreferenceperiod，includingtyphoon，iceload，constructionloadandsoon．Thenumericalsimulationresultsdemonstratethatthismethodisquiteaccurateandeffectivetopredictfatiguelifeofthetransmissiontower，whichlaysafoundationforfurtherengineeringapplicationinthefuture．

KEYWOＲDS：transmissiontower；fatigueanalysis；fatiguedamagetheory；fatiguelife；windload

中图分类号：TM75

文献标志码：A

文章编号：1000－7229（2014）01－0014－05

DOI：10.3969/j．issn.1000－7229.2014.01.003

0引言

疲劳问题考虑较少。目前众多研究成果表明：结构构件疲劳损伤也是导致输电塔结构发生倒塌或者损坏

［1］

的主要形式之一。

高压输电塔结构由于长期暴露在自然环境中，经极易发生高周疲劳破常受到频率很高的微风作用，

坏。这种随机脉动风荷载对结构构件反复作用会引最终导致部分杆件发生疲劳破坏，进而起疲劳损伤，

引发整塔倒塌的工程安全事故。因此，研究角钢铁塔以及评判结构剩余疲劳塔材在风作用下的疲劳问题，寿命，对于提高我国输电塔线路安全等级具有非常重要的作用。此外，对于输电塔结构服役期内承受过台风、覆冰、安装等一次性强荷载作用的情况，在结构疲劳分析和剩余寿命计算过程中也都应该考虑。本文选取500kV海宁—乔司II回路输电线路上的ZSZH型塔为研究对象，根据风玫瑰图和Weibull分布规律等计算不同季节、不同角度、不同风速的分

［2］

高压输电塔结构是一种重要的生命线工程。近

稳步增长，我国电力工业年来由于国家经济的快速、

也进入了高速发展的阶段。伴随着一大批高压和超标志着我国电力行业迈高压输电线路的建成和使用，

上了更高的台阶。但是，正当输电塔结构在输送高负

荷电能中扮演起越来越重要的角色之时，频繁发生的输电塔倒塌事故不仅给国家建设带来巨大的经济损失，也使得输电塔结构的安全运行能力倍受关注。对“500kV双回路输电塔结构”，于输电塔而言，特别是

以往的结构设计侧重于强度控制，强调结构抵御一次性强风、地震、覆冰等重要灾害的能力，而对输电塔抗

基金项目：国家自然科学基金委创新研究群体科学基金（51121005）；高等学校学科创新引智计划（B08014）。

14

ElectricPowerConstructionVol.35，No.1，Jan．，2014

布概率，通过SAP2000有限元软件模拟输电塔结构

在不同荷载工况作用下的受力情况，选用雨流法计数N曲模型统计应力循环幅值分布，最终应用材料的S-线和Miner线性疲劳累积损伤理论分析和预测输电塔结构疲劳程度。

Tab.1

表1输电塔风荷载模拟点高度

Heightofloadingpointofwindinsimulation

model

1

1.1

荷载模拟与分布

风荷载模拟

风荷载的流动速度和方向具有随时间和空间随

风速越大，对结构产生的压力越大。机变化的特征，

通常情况，在任意点、任意高度的风速度

平均风速和脉动风速之和，即

v（z，t）=珋v（z）+珋vf（z，t）

［3］

可表达为

（1）

范围等分数N=1024；（3）顺风向风速谱选取Kaimal

Kaimal常数为0.4，谱，指数衰减系数CZ=10。利用得到不同模拟点的风速之前介绍的风荷载模拟方法，

时程曲线。图2为典型的模拟点20的脉动风速时程曲线，风速功率谱与目标谱的比较如图3所示

。

v（z）为平均风速；珋vf（z，t）为脉动风速。式中：珋

考虑到地面对风气流产生的摩擦阻力影响和风

速沿高度的变化规律，对于输电塔结构，平均风宜采

［4］

用对数风剖面计算公式；脉动风则宜采用沿高度

［5］

变化的Kaimal风速谱。风场模拟实际上就是模拟

作用于结构离散节点上的随机脉动风速时程，为结构动力分析提供荷载激励。本文结合大跨越输电塔在风场中的结构几何特征、边界层风场的谱特性和有限元分析方法，假定脉动风速为零均值的平稳随机过

［6-9］

。采用谐波叠加法对平稳随机过程进行模拟程，

本文将风荷载简化为21个模拟点作用到输电塔

上，具体位置如图1所示，其有关参数见表1。脉动风模拟相关参数如下：（1）10m处平均风速v10=20m/s，地面粗糙长度Z0=0.2m；（2）时程总长t=300s，时间步长Δt=0.25s，截止频率ωu=2Hz，

频率

1.2

Fig.1

图1模型风模拟点位置

Loadingpointsofwindinsimulationmodel

风荷载分布概率

风速的分布是空间的，风的作用可以来自任意方且每个方向上风的强度和出现的频率都不相同，向，

因此需要考虑风速的分布规律。在某一风向上，不同

ElectricPowerConstructionVol.35，No.1，Jan．，2014

15

大小的平均风速出现的概率Weibull分布规律：

p（v）=

Kv（）AA

K－1

［10］

可以认为服从vK

）］A

（2）

他荷载工况，本文依据相关的输电塔结构设计规［11-12］

范模拟出了相应的荷载谱。本文采用单塔模型进行疲劳分析，导地线、绝缘子、金具等简化为质量源。图5为SAP2000软件建立的输电塔模型，其时程分析是以在自重作用下的非线性静力分析结果作

［13］

为初始状态，在此基础上进行的动力分析。

exp［－（

式中：p（v）为概率密度函数；K和A为参数。

本文以杭州地区风玫瑰图为基础，将风作用的平每22.5°为一个区域，面以结构为圆心分成360°角，

0°方向指向正北，共16个区域，按顺时针变化，如图

4所示。根据不同平均风速出现的百分率可以得到在每一风向上各种平均风速的作用时间。按照风荷载标准高度处平均风速v10的大小划分为15个等级，从2m/s到30m/s，采用式（2）就可以求解出不同风

A=5.81

。向角度下不同风速的概率，其中K=1.5，

图4杭州地区风玫瑰图

Fig.4WindrosesinHangzhou

Fig.5

图5输电塔疲劳分析模型

Fatigueanalysismodeloftransmissiontower

3

1.3

补充荷载

在实际工程中，分析输电塔结构疲劳问题时如果“风载”仅考虑这一个因素，而忽视了由于钢材本身腐蚀、雨荷载、特殊恶劣天气、地震等作用累计退化、

损伤的影响，势必将导致结构计算出的结构剩余年限与实际情况存在一定偏差。本文为了更加准值偏大，

确地反应输电塔因疲劳而引起的结构损伤问题，根据当地的气候条件，将一次性强荷载作用情况（台风、覆冰、安装等荷载工况）转化为与风荷载工况一致的其中台风荷载按照每年2～3次，分布概率和荷载谱，

风速按33m/s，持续时间一般为24h，最大考虑为48h计算。覆冰荷载按照30年一遇设计，覆冰厚度为5mm，一般持续时间1周。安装荷载应按10m/s风速、无冰、相应气温的气象条件等，安装时间为1个工作日。

雨流法分析

［14］

雨流计数法由Matsuishi和Endo首先提出，Dolwing根据试验结果证明了该方法相对于其他方

法的优越性。该方法的特点是能够识别响应时程曲线的各个回转点，并记下完整的滞回环数目，从而获

［15］

得各应力幅值下结构的实际循环次数。在前文计算出杆件内力时程曲线的基础上，运用雨流计数法对

可以得到关键部件杆件应力时程进行应力循环计数，各风向和风速下的平均应力，再利用Goodman修正公式得到等效应力幅值，最终统计出各方向不同风速下结构构件的等效应力幅值和循环次数。以输电塔的关键杆件136号单元为例，图6～7为在输电塔受到10m高度风速为30m/s，风攻角为0°时的VonMises应力时程曲线和应力幅值统计情况。

4输电塔的疲劳寿命

2非线性动力分析

采用第1节所述的风荷载模拟方法，得到了塔身

N预测输电塔结构疲劳寿命，根据构件材料的S-曲线和钢结构规范，通过雨流法统计出的各方向不同风速下结构构件的等效应力幅值和相应的循环次数，按照疲劳累积损伤准则可以计算出疲劳累积损伤，由

各节点的脉动风荷载，与平均风荷载叠加，将其转化为顺风向风荷载施加于结构之上进行分析。针对其

16

ElectricPowerConstructionVol.35，No.1，Jan．，2014

图8输电塔疲劳部位示意图

Fig.8Fatiguepartsoftransmission

tower

此可以得到剩余寿命。Miner线性疲劳累积损伤准则

［16-17］

可以表述为

ni

=D≤1i=1Ni∑

k

（3）

式中：k为荷载块数量；n为应力幅值的实际循环次数；N表示应力幅对应的破坏循环次数；D为累积损伤值。

对输电塔几个典型杆件单元进行疲劳寿命分析，危险部位如图8所示。根据Miner线性疲劳累积损伤准则，仅考虑风荷载工况作用下的危险部位杆件计算结果如表2所示。考虑一次性强荷载作用（安装、覆冰、台风等荷载工况）对输电塔疲劳寿命的影响，计算方法如1.3节所述，重新计算的疲劳寿命如表3所示。通过对比表2～3的计算结果说明：同时考虑一次性强荷载与风荷载作用下的疲劳问题，输电塔结构的损伤程度明显大于单一考虑风荷载作用的情况，疲劳寿命和剩余年限也明显降低。因此，预测输电塔结构疲劳寿命时，应考虑安装、覆冰、台风等荷载作用情况

。

5结论与展望

本文以500kV双回路输电塔工程中的输电塔为

研究背景，基于线性疲劳累积损伤理论，并考虑多种荷载工况的影响，最终求解出输电塔结构的疲劳寿

ElectricPowerConstructionVol.35，No.1，Jan．，2014

17

命。通过本文的研究表明：

（1）防范输电塔疲劳破坏是必要的，应该在设计过程中有所体现。

（2）仅仅考虑结构的抗风疲劳问题是不准确的，这将导致结构剩余年限值偏大，与实际情况存在一定偏差。因此，应同时考虑安装、覆冰、台风等荷载，才能得到更加准确的输电塔工程的疲劳寿命。

此外，在未来的输电塔疲劳问题研究中，也应该把设计基准期内的钢材退化、腐蚀、雨荷载、特殊恶劣地震等作用的累计损伤影响因素同时考虑进天气、

去，这样求解出的疲劳结果将更加准确和真实。

致

谢

本文的研究成果是在上海市电力公司电力科学研究院杨凌辉、肖嵘、季献武等工作人员的大力支持下完成的，在此向他（她）们表示衷心的感谢！

［9］张盈哲，廖宗高，谢强．输电线路设计规范中风荷载计算方法的

J］．电力建设，2013，34（7）：57-62．比较［

［10］贺德馨．风工程与工业空气动力学［M］．北京：国防工业出版

2006．社，

［11］DL/T5154—2002架空送电线路杆塔结构设计技术规定［S］．

2002．北京：中国电力出版社，

［12］GB50545—2010110kV～750kV架空输电线路设计规范［S］．

2010．北京：中国计划出版协会，

［13］李喜来，J］．电力建王开明，尹鹏，等．大跨越输电塔动力特性［

2010，31（5）：43-48．设，

［14］MatsuishiM，EndoT．Fatigueofmetalssubjectedtovaryingstress

［C］//

JapanSocietyofMechanicalEngineers，Fukuoka，

Japan，1968．

［15］王之宏．桅杆结构的风振疲劳分析［J］．特种结构，1994，11（3）：

3-8．

［16］ThecommitteeonFatigueandFracture．

Ｒeliabilityofthe

CommitteeonStructuralSafetyandＲeliabilityoftheStructuralDivision．Fatiguereliability：Variableamplitudeloading［J］．J1982，108（STI）：47-69．StructDivASCE，

［17］MinerMA．Cumulativedamageinfatigue［J］．JournalofApplied

1945（12）：159-164．Mechanics，

收稿日期：2013-09-23作者简介：

张卓群（1985），男，博士研究生，主要从事输电塔结构优化设计、E-mail：zhangzhuoqun_2006@灾变分析以及安全性评估研究工作，163．com；

李宏男（1957），男，长江学者特聘教授，主要从事建筑结构抗风、E-mail：hnli@dlut．抗震等灾变分析、健康监测与诊断研究工作，edu．cn；

李东升（1972），男，副教授，主要从事载荷识别、结构健康监测与E-mail：dsli@dlut．edu．cn；诊断研究工作，

任亮（1979），男，副教授，主要从事结构健康监测及光纤传感技术E-mail：renliang@dlut．edu．cn；工作，

孙彤（1986），男，博士研究生，主要从事输电塔疲劳损伤和结构智E-mail：476817504@qq．com。能控制研究工作，

修回日期：2013-10-14

6参考文献

2009．社，

［1］李宏男．高压输电塔抗震分析与设计［M］．北京：中国电力出版［2］李宏男，白海峰．高压输电塔－线体系抗灾研究的现状与发展趋

J］．土木工程学报，2007，40（2）：39-46．势［

［3］黄本才，M］．上海：同济大学出版结构抗风分析原理及应用［

2001．社，

［4］张相庭．工程结构风荷载理论和抗风计算手册［M］．上海：同济

1990．大学出版社，

［5］SimiuE，ScanlanＲH．Windeffectsonstructures［M］．Third

1996．edition．NewYork：JohnWileyandSons，

［6］ShinozukaM．Simulationofmultivariateandmultidimensional

J］．AcousticalSocietyAmerican，1971，49（1）：randomprocesses［357-368．

［7］ShinozukaM，JanCM．Digitalsimulationofrandomprocessesand

itsapplications［J］．JournalofSoundandVibration，1972，25（1）：111-128．

［8］王之宏．风荷载的模拟研究［J］．建筑结构学报，1994，15（1）：44-52．

（编辑：张媛媛）

18

ElectricPowerConstructionVol.35，No.1，Jan．，2014

高压输电塔结构的疲劳寿命分析

张卓群，李宏男，李东升，任亮，孙彤

（大连理工大学建设工程学部，辽宁省大连市116024）

摘

要：输电塔结构是高负荷电能输送的载体，是一种重要的生命线工程。结构疲劳损伤被视为工程领域重要的破坏

依据Miner线性疲劳累积损伤理论因素之一。选取500kV海宁—乔司II回路输电线路上的ZSZH型塔为研究对象，

N曲线，建立了一套完整的输电塔结构疲劳寿命分析方法。这种方法不仅重点强调了风荷载对输电塔疲劳和材料的S-同时也考虑输电塔结构在服役期内承受过的台风、覆冰、安装等一次性强荷载工况。通过对工程实例的仿现象的影响，

真分析，表明该文方法可以准确、高效地预测输电塔结构的疲劳寿命，为今后进一步的工程应用奠定了基础。关键词：输电塔；疲劳分析；疲劳损伤理论；疲劳寿命；风荷载

FatigueLifeAnalysisofHVTransmissionTowerStructure

ZHANGZhuoqun，LIHongnan，LIDongsheng，ＲENLiang，SUNTong

（FacultyofInfrastructureEngineering，DalianUniversityofTechnology，Dalian116024，LiaoningProvince，China）ABSTＲACT：Thestructureoftransmissiontowerisanimportantlifelineprojectasthecarrierofhighloadpower．Structuralfatiguedamagehasbeenconsideredasoneofthemostvitaldestructivefactorsincivilengineering．BasedontheMiner’slinearfatigueaccumulationruleandS-Ncurve，thefatiguelifeanalysismethodforZSZHtowerinthe500kVHaining-Qiaosidoublecircuittransmissionlinewasproposed．Inthefatigueanalysisproblemoftransmissiontowers，thismethodnotonlyemphasizesonwindloads，butalsoconsidersseveralextraordinaryseriousloadcasesduringthedesignreferenceperiod，includingtyphoon，iceload，constructionloadandsoon．Thenumericalsimulationresultsdemonstratethatthismethodisquiteaccurateandeffectivetopredictfatiguelifeofthetransmissiontower，whichlaysafoundationforfurtherengineeringapplicationinthefuture．

KEYWOＲDS：transmissiontower；fatigueanalysis；fatiguedamagetheory；fatiguelife；windload

中图分类号：TM75

文献标志码：A

文章编号：1000－7229（2014）01－0014－05

DOI：10.3969/j．issn.1000－7229.2014.01.003

0引言

疲劳问题考虑较少。目前众多研究成果表明：结构构件疲劳损伤也是导致输电塔结构发生倒塌或者损坏

［1］

的主要形式之一。

高压输电塔结构由于长期暴露在自然环境中，经极易发生高周疲劳破常受到频率很高的微风作用，

坏。这种随机脉动风荷载对结构构件反复作用会引最终导致部分杆件发生疲劳破坏，进而起疲劳损伤，

引发整塔倒塌的工程安全事故。因此，研究角钢铁塔以及评判结构剩余疲劳塔材在风作用下的疲劳问题，寿命，对于提高我国输电塔线路安全等级具有非常重要的作用。此外，对于输电塔结构服役期内承受过台风、覆冰、安装等一次性强荷载作用的情况，在结构疲劳分析和剩余寿命计算过程中也都应该考虑。本文选取500kV海宁—乔司II回路输电线路上的ZSZH型塔为研究对象，根据风玫瑰图和Weibull分布规律等计算不同季节、不同角度、不同风速的分

［2］

高压输电塔结构是一种重要的生命线工程。近

稳步增长，我国电力工业年来由于国家经济的快速、

也进入了高速发展的阶段。伴随着一大批高压和超标志着我国电力行业迈高压输电线路的建成和使用，

上了更高的台阶。但是，正当输电塔结构在输送高负

荷电能中扮演起越来越重要的角色之时，频繁发生的输电塔倒塌事故不仅给国家建设带来巨大的经济损失，也使得输电塔结构的安全运行能力倍受关注。对“500kV双回路输电塔结构”，于输电塔而言，特别是

以往的结构设计侧重于强度控制，强调结构抵御一次性强风、地震、覆冰等重要灾害的能力，而对输电塔抗

基金项目：国家自然科学基金委创新研究群体科学基金（51121005）；高等学校学科创新引智计划（B08014）。

14

ElectricPowerConstructionVol.35，No.1，Jan．，2014

布概率，通过SAP2000有限元软件模拟输电塔结构

在不同荷载工况作用下的受力情况，选用雨流法计数N曲模型统计应力循环幅值分布，最终应用材料的S-线和Miner线性疲劳累积损伤理论分析和预测输电塔结构疲劳程度。

Tab.1

表1输电塔风荷载模拟点高度

Heightofloadingpointofwindinsimulation

model

1

1.1

荷载模拟与分布

风荷载模拟

风荷载的流动速度和方向具有随时间和空间随

风速越大，对结构产生的压力越大。机变化的特征，

通常情况，在任意点、任意高度的风速度

平均风速和脉动风速之和，即

v（z，t）=珋v（z）+珋vf（z，t）

［3］

可表达为

（1）

范围等分数N=1024；（3）顺风向风速谱选取Kaimal

Kaimal常数为0.4，谱，指数衰减系数CZ=10。利用得到不同模拟点的风速之前介绍的风荷载模拟方法，

时程曲线。图2为典型的模拟点20的脉动风速时程曲线，风速功率谱与目标谱的比较如图3所示

。

v（z）为平均风速；珋vf（z，t）为脉动风速。式中：珋

考虑到地面对风气流产生的摩擦阻力影响和风

速沿高度的变化规律，对于输电塔结构，平均风宜采

［4］

用对数风剖面计算公式；脉动风则宜采用沿高度

［5］

变化的Kaimal风速谱。风场模拟实际上就是模拟

作用于结构离散节点上的随机脉动风速时程，为结构动力分析提供荷载激励。本文结合大跨越输电塔在风场中的结构几何特征、边界层风场的谱特性和有限元分析方法，假定脉动风速为零均值的平稳随机过

［6-9］

。采用谐波叠加法对平稳随机过程进行模拟程，

本文将风荷载简化为21个模拟点作用到输电塔

上，具体位置如图1所示，其有关参数见表1。脉动风模拟相关参数如下：（1）10m处平均风速v10=20m/s，地面粗糙长度Z0=0.2m；（2）时程总长t=300s，时间步长Δt=0.25s，截止频率ωu=2Hz，

频率

1.2

Fig.1

图1模型风模拟点位置

Loadingpointsofwindinsimulationmodel

风荷载分布概率

风速的分布是空间的，风的作用可以来自任意方且每个方向上风的强度和出现的频率都不相同，向，

因此需要考虑风速的分布规律。在某一风向上，不同

ElectricPowerConstructionVol.35，No.1，Jan．，2014

15

大小的平均风速出现的概率Weibull分布规律：

p（v）=

Kv（）AA

K－1

［10］

可以认为服从vK

）］A

（2）

他荷载工况，本文依据相关的输电塔结构设计规［11-12］

范模拟出了相应的荷载谱。本文采用单塔模型进行疲劳分析，导地线、绝缘子、金具等简化为质量源。图5为SAP2000软件建立的输电塔模型，其时程分析是以在自重作用下的非线性静力分析结果作

［13］

为初始状态，在此基础上进行的动力分析。

exp［－（

式中：p（v）为概率密度函数；K和A为参数。

本文以杭州地区风玫瑰图为基础，将风作用的平每22.5°为一个区域，面以结构为圆心分成360°角，

0°方向指向正北，共16个区域，按顺时针变化，如图

4所示。根据不同平均风速出现的百分率可以得到在每一风向上各种平均风速的作用时间。按照风荷载标准高度处平均风速v10的大小划分为15个等级，从2m/s到30m/s，采用式（2）就可以求解出不同风

A=5.81

。向角度下不同风速的概率，其中K=1.5，

图4杭州地区风玫瑰图

Fig.4WindrosesinHangzhou

Fig.5

图5输电塔疲劳分析模型

Fatigueanalysismodeloftransmissiontower

3

1.3

补充荷载

在实际工程中，分析输电塔结构疲劳问题时如果“风载”仅考虑这一个因素，而忽视了由于钢材本身腐蚀、雨荷载、特殊恶劣天气、地震等作用累计退化、

损伤的影响，势必将导致结构计算出的结构剩余年限与实际情况存在一定偏差。本文为了更加准值偏大，

确地反应输电塔因疲劳而引起的结构损伤问题，根据当地的气候条件，将一次性强荷载作用情况（台风、覆冰、安装等荷载工况）转化为与风荷载工况一致的其中台风荷载按照每年2～3次，分布概率和荷载谱，

风速按33m/s，持续时间一般为24h，最大考虑为48h计算。覆冰荷载按照30年一遇设计，覆冰厚度为5mm，一般持续时间1周。安装荷载应按10m/s风速、无冰、相应气温的气象条件等，安装时间为1个工作日。

雨流法分析

［14］

雨流计数法由Matsuishi和Endo首先提出，Dolwing根据试验结果证明了该方法相对于其他方

法的优越性。该方法的特点是能够识别响应时程曲线的各个回转点，并记下完整的滞回环数目，从而获

［15］

得各应力幅值下结构的实际循环次数。在前文计算出杆件内力时程曲线的基础上，运用雨流计数法对

可以得到关键部件杆件应力时程进行应力循环计数，各风向和风速下的平均应力，再利用Goodman修正公式得到等效应力幅值，最终统计出各方向不同风速下结构构件的等效应力幅值和循环次数。以输电塔的关键杆件136号单元为例，图6～7为在输电塔受到10m高度风速为30m/s，风攻角为0°时的VonMises应力时程曲线和应力幅值统计情况。

4输电塔的疲劳寿命

2非线性动力分析

采用第1节所述的风荷载模拟方法，得到了塔身

N预测输电塔结构疲劳寿命，根据构件材料的S-曲线和钢结构规范，通过雨流法统计出的各方向不同风速下结构构件的等效应力幅值和相应的循环次数，按照疲劳累积损伤准则可以计算出疲劳累积损伤，由

各节点的脉动风荷载，与平均风荷载叠加，将其转化为顺风向风荷载施加于结构之上进行分析。针对其

16

ElectricPowerConstructionVol.35，No.1，Jan．，2014

图8输电塔疲劳部位示意图

Fig.8Fatiguepartsoftransmission

tower

此可以得到剩余寿命。Miner线性疲劳累积损伤准则

［16-17］

可以表述为

ni

=D≤1i=1Ni∑

k

（3）

式中：k为荷载块数量；n为应力幅值的实际循环次数；N表示应力幅对应的破坏循环次数；D为累积损伤值。

对输电塔几个典型杆件单元进行疲劳寿命分析，危险部位如图8所示。根据Miner线性疲劳累积损伤准则，仅考虑风荷载工况作用下的危险部位杆件计算结果如表2所示。考虑一次性强荷载作用（安装、覆冰、台风等荷载工况）对输电塔疲劳寿命的影响，计算方法如1.3节所述，重新计算的疲劳寿命如表3所示。通过对比表2～3的计算结果说明：同时考虑一次性强荷载与风荷载作用下的疲劳问题，输电塔结构的损伤程度明显大于单一考虑风荷载作用的情况，疲劳寿命和剩余年限也明显降低。因此，预测输电塔结构疲劳寿命时，应考虑安装、覆冰、台风等荷载作用情况

。

5结论与展望

本文以500kV双回路输电塔工程中的输电塔为

研究背景，基于线性疲劳累积损伤理论，并考虑多种荷载工况的影响，最终求解出输电塔结构的疲劳寿

ElectricPowerConstructionVol.35，No.1，Jan．，2014

17

命。通过本文的研究表明：

（1）防范输电塔疲劳破坏是必要的，应该在设计过程中有所体现。

（2）仅仅考虑结构的抗风疲劳问题是不准确的，这将导致结构剩余年限值偏大，与实际情况存在一定偏差。因此，应同时考虑安装、覆冰、台风等荷载，才能得到更加准确的输电塔工程的疲劳寿命。

此外，在未来的输电塔疲劳问题研究中，也应该把设计基准期内的钢材退化、腐蚀、雨荷载、特殊恶劣地震等作用的累计损伤影响因素同时考虑进天气、

去，这样求解出的疲劳结果将更加准确和真实。

致

谢

本文的研究成果是在上海市电力公司电力科学研究院杨凌辉、肖嵘、季献武等工作人员的大力支持下完成的，在此向他（她）们表示衷心的感谢！

［9］张盈哲，廖宗高，谢强．输电线路设计规范中风荷载计算方法的

J］．电力建设，2013，34（7）：57-62．比较［

［10］贺德馨．风工程与工业空气动力学［M］．北京：国防工业出版

2006．社，

［11］DL/T5154—2002架空送电线路杆塔结构设计技术规定［S］．

2002．北京：中国电力出版社，

［12］GB50545—2010110kV～750kV架空输电线路设计规范［S］．

2010．北京：中国计划出版协会，

［13］李喜来，J］．电力建王开明，尹鹏，等．大跨越输电塔动力特性［

2010，31（5）：43-48．设，

［14］MatsuishiM，EndoT．Fatigueofmetalssubjectedtovaryingstress

［C］//

JapanSocietyofMechanicalEngineers，Fukuoka，

Japan，1968．

［15］王之宏．桅杆结构的风振疲劳分析［J］．特种结构，1994，11（3）：

3-8．

［16］ThecommitteeonFatigueandFracture．

Ｒeliabilityofthe

CommitteeonStructuralSafetyandＲeliabilityoftheStructuralDivision．Fatiguereliability：Variableamplitudeloading［J］．J1982，108（STI）：47-69．StructDivASCE，

［17］MinerMA．Cumulativedamageinfatigue［J］．JournalofApplied

1945（12）：159-164．Mechanics，

收稿日期：2013-09-23作者简介：

张卓群（1985），男，博士研究生，主要从事输电塔结构优化设计、E-mail：zhangzhuoqun_2006@灾变分析以及安全性评估研究工作，163．com；

李宏男（1957），男，长江学者特聘教授，主要从事建筑结构抗风、E-mail：hnli@dlut．抗震等灾变分析、健康监测与诊断研究工作，edu．cn；

李东升（1972），男，副教授，主要从事载荷识别、结构健康监测与E-mail：dsli@dlut．edu．cn；诊断研究工作，

任亮（1979），男，副教授，主要从事结构健康监测及光纤传感技术E-mail：renliang@dlut．edu．cn；工作，

孙彤（1986），男，博士研究生，主要从事输电塔疲劳损伤和结构智E-mail：476817504@qq．com。能控制研究工作，

修回日期：2013-10-14

6参考文献

2009．社，

［1］李宏男．高压输电塔抗震分析与设计［M］．北京：中国电力出版［2］李宏男，白海峰．高压输电塔－线体系抗灾研究的现状与发展趋

J］．土木工程学报，2007，40（2）：39-46．势［

［3］黄本才，M］．上海：同济大学出版结构抗风分析原理及应用［

2001．社，

［4］张相庭．工程结构风荷载理论和抗风计算手册［M］．上海：同济

1990．大学出版社，

［5］SimiuE，ScanlanＲH．Windeffectsonstructures［M］．Third

1996．edition．NewYork：JohnWileyandSons，

［6］ShinozukaM．Simulationofmultivariateandmultidimensional

J］．AcousticalSocietyAmerican，1971，49（1）：randomprocesses［357-368．

［7］ShinozukaM，JanCM．Digitalsimulationofrandomprocessesand

itsapplications［J］．JournalofSoundandVibration，1972，25（1）：111-128．

［8］王之宏．风荷载的模拟研究［J］．建筑结构学报，1994，15（1）：44-52．

（编辑：张媛媛）

18

ElectricPowerConstructionVol.35，No.1，Jan．，2014