一种考虑风向影响的输电塔结构抗风安全性概率评估方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑风向影响的输电塔结构抗风安全性概率评估方法，包括获取场址风速风向观测数据，确定输电塔随机结构参数及概率分布；基于全风速区数据，采用二元

【技术实现步骤摘要】
一种考虑风向影响的输电塔结构抗风安全性概率评估方法


[0001]本专利技术涉及输电塔结构抗风安全评估
，具体为一种考虑风向影响的输电塔结构抗风安全性概率评估方法
。

技术介绍

[0002]输电塔在服役期间主要受风荷载作用，输电塔属于风敏感性结构，在强风环境下发生损伤和倒塌事故常有报道
。
风灾易损性分析是评估结构在不同风速条件下出现不同损伤状态的概率，能综合考虑多种不确定性因素对结构安全的影响
。
因此，输电塔的风灾易损性评估对保障输电塔结构长期安全运行具有重要意义
。
[0003]研究表明，风向角对输电塔结构的风荷载效应具有重要影响
。
因此，在进行输电塔结构易损性分析时，应将风向角考虑在内
。
此外，气象观测数据表明，某一地区的风速和风向角之间存在相关性
。
因此，为了准确评估输电塔在某一风速条件下的易损性，应首先给出该风速条件下风向角的概率分布
。
然后，才能准确评估不同风速条件下输电塔结构出现不同损伤状态的概率
。
[0004]已有的关于输电塔风灾易损性分析研究对风向角关注较少，并且通常采用条件概率建模方法获得不同风速条件下风向角的条件概率密度函数
。
当需要考虑较多的风速条件时，该方法的概率建模工作量较大，效率不高
。
而在分析输电塔结构的风灾易损性曲线时，通常假定在给定风速条件下输电塔结构响应服从对数正态分布，并且还假定分布参数与风速具有一定的对应关系
。
当不考虑风向角时，该假定较符合实际情况，而当考虑风向角时，上述假定难以成立
。
在该情况下，需要基于输电塔在每种风速条件下的随机响应分析结果，估计结构发生不同损伤状态的概率
。
在确定某一风速条件下需要考虑的风向角和其他随机变量的分析样本时，已有方法常采用随机抽样确定分析样本
。
由于该方法需要考虑较多的分析样本，给易损性评估带来了巨大计算工作量，难以在实际中应用
。

技术实现思路

[0005]针对上述
技术介绍
中提出的问题，本专利技术提供了一种考虑风向影响的输电塔结构抗风安全性概率评估方法，能在考虑较少分析样本条件下获得具有较高精度的易损性分析结果，从而提高输电塔结构风灾易损性评估效率
。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种考虑风向影响的输电塔结构抗风安全性概率评估方法，包括以下步骤：
[0007]S1、
获取场址风速风向观测数据，确定输电塔随机结构参数及概率分布；
[0008]S2、
基于全风速区数据，采用二元
Copula
函数建立风速风向联合概率密度函数；
[0009]S3、
确定易损性分析需考虑的风速，获得这些风速下风向角的条件概率密度函数；
[0010]S4、
通过采用低偏差点集确定不同风速下随机变量的代表性样本值；
[0011]S5、
分析每个代表性样本条件下输电塔结构的风致响应，并计算输电塔风灾易损性曲线
。
[0012]在建立风速风向两个变量的联合概率密度函数时，记风速和风向角分别为为
V
和
Θ
，其联合概率密度函数
f
V
Θ
(v,
θ
)
的表达式为：
[0013]f
V
Θ
(v,
θ
)
＝
c(F
V
(v),F
Θ
(
θ
))
·
f
V
(v)
·
f
Θ
(
θ
)(1)
[0014]式中，
c(
·
,
·
)
为
Copula
密度函数；
F
V
(v)
和
F
Θ
(
θ
)
分别为风速和风向的边缘概率分布函数，
f
V
(v)
和
f
Θ
(
θ
)
为相应的边缘概率密度函数；
[0015]基于式和概率论的基本原理，得风向角的条件概率密度函数表达式为：
[0016][0017]由于在上一步中已经估计了风速和风向的边缘概率分布以及风速风向对应的
Copula
函数，因此基于式直接获得给定风速条件下风向角的条件概率密度函数，该方法仅需进行一次概率建模工作，能显著提高分析效率
。
[0018]所述
S4
中，需考虑结构参数不确定性的影响，记结构参数不确定性的随机向量为
X
，其概率密度函数为
f
X
(x)
；由于
X
和风向角
Θ
是相互独立的，因此其联合概率密度函数为
[0019]f
X
Θ
V
(x,
θ
v)
＝
f
Θ
V
(
θ
v)f
X
(x)(3)
[0020]为简便计，将
X
和
Θ
记为随机向量
Z
＝
[
Θ
,X]，相应地，
f
X
Θ
V
(
θ
v)
为
f
ZV
(zv)
；对于某一输电塔结构，假设存在
N
d
个损伤状态，则在风速为
v
条件下结构出现第
j
个损伤状态的概率为
[0021][0022]式中，为在风速为
v
时输电塔出现第
j
个损伤状态时的随机变量的取值范围
。
[0023]在利用式进行易损性评估时，所述第
j
个损伤状态的概率公式中难以直接获得在实际中，将该式改写为：
[0024][0025]式中，
g(z)
为判别函数，当在
z
条件下输电塔出现了该损伤状态，则
g(z)
＝1，否则
g(z)
＝0；
Ω
为随机向量
Z
的取值范围；
n
为随机向量的代表性取值的个数；
p(z
i
v)
为在风速为
v
条件下随机变量
Z
的取值为
z
i
的概率
。
[0026]对随机变量的代表值进行分析，根据拓展的...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种考虑风向影响的输电塔结构抗风安全性概率评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、
获取场址风速风向观测数据，确定输电塔随机结构参数及概率分布；
S2、
基于全风速区数据，采用二元
Copula
函数建立风速风向联合概率密度函数；
S3、
确定易损性分析需考虑的风速，获得这些风速下风向角的条件概率密度函数；
S4、
通过采用低偏差点集确定不同风速下随机变量的代表性样本值；
S5、
分析每个代表性样本条件下输电塔结构的风致响应，并计算输电塔风灾易损性曲线
。2.
根据权利要求1所述的一种考虑风向影响的输电塔结构抗风安全性概率评估方法，其特征在于：建立的两个变量的联合概率密度函数中，记风速和风向角分别为为
V
和
Θ
，其联合概率密度函数
f
V
Θ
(v,
θ
)
的表达式为：
f
V
Θ
(v,
θ
)
＝
c(F
V
(v),F
Θ
(
θ
))
·
f
V
(v)
·
f
Θ
(
θ
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
式中，
c(
·
,
·
)
为
Copula
密度函数；
F
V
(v)
和
F
Θ
(
θ
)
分别为风速和风向的边缘概率分布函数，
f
V
(v)
和
f
Θ
(
θ
)
为相应的边缘概率密度函数；基于式和概率论的基本原理，得风向角的条件概率密度函数表达式为：
3.
根据权利要求1所述的一种考虑风向影响的输电塔结构抗风安全性概率评估方法，其特征在于：所述
S4
中，需考虑结构参数不确定性的影响，则记结构参数不确定性的随机向量为
X
，其概率密度函数为
f
X
(x)
；由于
X
和风向角
Θ
是相互独立的，因此其联合概率密度函数为
f
X
Θ
|V
(x,
θ
|v)
＝
f
Θ
|V
(
θ
|v)f
X
(x)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
为简便计，将
X
和
Θ
记为随机向量
Z
＝
[
Θ
,X]
，相应地，
f
X
Θ
|V
(
θ
|v)
为
f
Z|V
(z|v)
；对于某一输电塔结构，假设存在
N
d
个损伤状态，则在风速为
v
条件下结构出现第
j
个损伤状态的概率为式中，为在风速为
v
时输电塔出现第
j
个损伤状态时的随机变量的取值范围
。4.
根据权利要求3所述的一种考虑风向影响的输电塔结构抗风安全性概率评估方法，其特征在于：在利用式进行易损性评估时，所述第
j
个损伤状态的概率公式中难以直接获得在实际中，将该式改写为：式中，
g(z)
为判别函数，当在
z
条件下输电塔出现了该损伤状态，则
g(z)
＝1，否则

【专利技术属性】
技术研发人员：戴建强，李珊，赵龙，林建，刘洋，张刚，李彪，孙启刚，陈星延，牛志强，陈玉，李中凯，
申请(专利权)人：国网山东省电力公司临沂供电公司，
类型：发明
国别省市：