阀厅直立锁边金属屋面系统抗风揭可靠度分析方法与流程

1.本发明涉及电力系统技术领域，特别涉及一种阀厅直立锁边金属屋面系统抗风揭可靠度分析方法。


背景技术：

2.阀厅是换流站中的重要建筑，其屋面通常采用直立锁边金属屋面系统，然而由于此类屋面自重轻、柔性大，在强风作用下常发生风揭破坏，可能造成极大的经济损失。此外，现有对该屋面的研究主要集中在抗风揭试验和数值模拟两方面，而对直立锁边金属屋面系统的可靠度安全评估却并未涉及。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的问题，提供了阀厅直立锁边金属屋面系统抗风揭可靠度分析方法，能够量化直立锁边金属屋面系统的可靠指标，能够直观的反应该金属屋面在风荷载作用下的安全水平，通过对比可靠度指标，可为屋面板、支座选型提供参考，进而指导直立锁缝屋面系统抗风揭设计，将可能减少或避免直立锁缝屋面系统风揭破坏事故的发生。
4.本发明采用的技术方案如下：阀厅直立锁边金属屋面系统抗风揭可靠度分析方法，包括：
5.步骤1、选择阀厅直立锁边金属屋面最易破坏位置建立有限元分析模型；
6.步骤2、通过仿真模拟得到直立锁边金属屋面系统破坏模式，以及对应的破坏过程；(脱扣破坏)
7.步骤3、根据破坏过程得到对应的功能函数；
8.步骤4、根据得到的功能函数基于lhs-mcs法计算立锁边金属屋面系统可靠度。
9.进一步的，所述步骤2中，通过仿真模拟确认在风荷载作用下，阀厅直立锁边屋面系统将发生脱扣破坏，并模拟脱扣破坏时中大肋边脱离支座的过程。
10.进一步的，所述步骤3中，通过脱扣破坏过程中大肋边初始和破坏时的相对位移来计算阀厅直立锁边屋面系统的功能函数。
11.进一步的，所述功能函数为：
[0012][0013]
其中，g(
·
)为直立锁边屋面系统脱扣破坏的功能函数，e、ν、fy、μ、w为随机变量，分别对应为弹性模量、泊松比、屈服强度、摩擦系数、风荷载，l1、l2、l3、l4分别为卷边后，从卷边起到起每一条边的长度；分别表示卷边起点a、卷边终点b在x、y、z方向的位移向量，通过有限元分析模型仿真计算得出。
[0014]
进一步的，所述步骤4的子步骤为：
[0015]
步骤4.1、通过拉丁超立方抽样法在随机变量中获取样本点集合；
[0016]
步骤4.2、通过monte carlo法结合功能函数计算直立锁边金属屋面系统的失效概率和可靠度指标。
[0017]
进一步的，所述步骤4.1包括以下子步骤：
[0018]
步骤4.1.1、将随机变量随机分成n个互不重叠的等概率区间，采用随机生成的标准正态的样本矩阵zn×n表示样本点的排序，其中，n表示随机变量数量；
[0019]
步骤4.1.2、通过整数矩阵rn×n记录所有标准正态样本点的排序信息，得到任意区间中拉丁超立方抽样样本点的累积分布函数值；
[0020]
步骤4.1.3、通过等概率变换方法将累积分布函数值变换到独立标准正态空间中，得到拉丁超立方抽样样本点集合。
[0021]
进一步的，所述步骤4.1.2中，累计分布函数值为：
[0022][0023]
其中，rand(0,1)表示[0,1]区间内任一均匀分布的随机数，r
ij
表示第个j变量第i次抽样取值在该变量所有n个样本点中的排序。
[0024]
进一步的，所述步骤4.1.3中，设样本点为θ＝{e,ν,fy,μ,w}，则拉丁超立方抽样样本点集合为：
[0025]
θ
ij
＝φ-1
(f
ξ
(ξ
ij
))
[0026]
其中，ф-1
(.)为标准正态分布累积分布的逆函数。
[0027]
进一步的，所述步骤4.2中，失效概率表达式为：
[0028][0029]
其中，为失效域的指示函数，θk为第k次模拟的样本点，g(θk)为第k次样本点对应的功能函数值；
[0030]
可靠度指标β为：
[0031]
β＝-φ-1
(pf)
[0032]
其中，ф为标准正态分布函数，失效概率pf越小，可靠度指标β越大，结构的可靠度越高。
[0033]
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：通过本发明能够准确的计算得到直立锁边金属屋面系统的可靠度指标，通过对比可靠度指标，可为屋面板、支座选型提供参考，进而指导直立锁缝屋面系统抗风揭设计，将可能减少或避免直立锁缝屋面系统风揭破坏事故的发生。
附图说明
[0034]
图1为本发明提出的阀厅直立锁边金属屋面系统抗风揭可靠度分析方法流程图。
[0035]
图2为本发明一实施例中有限元模型选取示意图。
[0036]
图3为本发明一实施例中有限元模型及破坏模式对比图。
[0037]
图4为本发明一实施例中直立锁边金属屋面系统发生脱扣破坏过程图。
[0038]
图5为本发明一实施例中直立锁边金属屋面系统脱扣破坏简化模型图。
具体实施方式
[0039]
下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。相反，本技术的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
[0040]
由于针对阀厅直立锁边金属屋面系统的可靠度安全评估方法尚属空白，本实施例提出了一种阀厅直立锁边屋面系统的抗风揭可靠度分析方法，运用该方法对阀厅直立锁边屋面系统进行安全评估，可定量的计算出该屋面的可靠指标。具体方案如下：
[0041]
如图1所示，阀厅直立锁边金属屋面系统抗风揭可靠度分析方法，包括以下步骤：
[0042]
步骤1、选择阀厅直立锁边金属屋面最易破坏位置建立有限元分析模型；
[0043]
步骤2、通过仿真模拟得到直立锁边金属屋面系统破坏模式，以及对应的破坏过程；(脱扣破坏)
[0044]
步骤3、根据破坏过程得到对应的功能函数；
[0045]
步骤4、根据得到的功能函数基于lhs-mcs法计算立锁边金属屋面系统可靠度；通过对比可靠度指标，可为屋面板、支座选型提供参考，进而指导直立锁缝屋面系统抗风揭设计。
[0046]
具体的，由于阀厅屋面整体尺寸过大，为了兼顾计算效率，需选取屋面局部模型进行研究。在本实施例中，结合工程中阀厅常见破坏类型，选择整个金属屋面范围内最易破坏位置，即屋檐位置处，建立精细化的阀厅直立锁边屋面系统有限元分析模型。该局部仿真模型可根据通用有限元软件进行建模，组件尺寸按实际尺寸建立，锁缝处采用自动通用接触来自动识别屋面板和支座的接触关系。图2(a)为阀厅檩条布置示意图，图2(b)为阀厅最不利分压分布示意图，图2(c)为直立锁链受理机理图。
[0047]
通过精细化的有限元分析模型，同时沿屋面板施加竖直向上的均布力以模拟风荷载的作用，直至结构破坏，能够准确模拟得到阀厅直立锁缝屋面系统在风荷载作用下的破坏模式以及对应的破坏过程，如图3所示，通过对屋面板应力、支座应力、抗风夹应力和锁边相对位移进行观测，将任何一个观测值达到响应极限时对应的风荷载为最大抗风承载力，再将观测结果与已有试验结果进行对比，完成有限元模型的数值模拟过程有效性验证。其中，图3(a)、图3(b)分别为已有试验与本实施例中锁缝展开示意图；图3(c)、图3(b)分别为已有试验与本实施例中脱口破坏示意图。在本实施例中，破坏模式主要为脱扣破坏。
[0048]
仿真模拟结果表明，在风荷载作用下，阀厅直立锁边屋面系统将发生脱扣破坏。由此，可根据其破坏过程计算得到脱扣破坏的功能函数，
[0049]
在本实施例中，给出一种脱扣破坏的功能函数计算过程，具体如下：
[0050]
屋面在风荷载作用下的变形状态如图4所示，图4(a)为初始状态，风荷载作用在结构上，大肋边首先产生横向位移，如图4(b)所示，位移增大到一定值时，大肋边脱离锁缝顶部，由底部咬合承力，如图4(c)所示，随着风荷载的继续增大，最终大肋边被吹起并逐渐与支座脱离，如图(d)所示。当大肋边完全脱开时表示直立锁边屋面系统发生了风揭破坏，因
此可通过大肋边初始和破坏时的相对位移来计算阀厅直立锁边屋面系统的极限状态函数。
[0051]
对比大肋边初始和破坏状态，建立大肋边简化模型，如图5所示。
[0052]
和分别为大肋边初始状态和破坏状态，根据向量运算法则有：
[0053][0054]
过a
′
做c点，使得可得到：
[0055][0056]
对式(2)展开得到：
[0057][0058]
式中：当和在同一方向上，即θ＝0
°
时，取得最小值；δd表示和两边长之差，工程中经电动锁缝机锁缝后，ab边接近于竖直，则等于外卷边完全舒展开的长度，即其中，l1、l2、l3、l4分别为卷边后，从卷边起到起每一条边的长度。
[0059]
结合式(2)和式(3)得：
[0060][0061]
式中：和分别表示a点和b点的起始和终点的相对位移向量，计算如下：
[0062][0063]
其中，e、ν、fy、μ、w为随机变量，分别对应为弹性模量、泊松比、屈服强度、摩擦系数、风荷载，其中，泊松比均值和方差分别为0.3和0.009。；分别表示a、b两点在x、y、z方向的位移向量，通过有限元分析模型仿真计算得出。
[0064]
结合式(4)和式(5)，得到直立锁边金属屋面系统脱口破坏的功能函数：
[0065][0066]
通过该功能函数能够计算出直立锁边金属屋面系统将发生脱扣破坏时对应的各个物理参数。
[0067]
考虑到阀厅直立锁边屋面系统结构随机性，在本实施例中，基于拉丁超立方抽样技术选取屋面结构样本点，并结合monte carlo法计算其可靠度指标。具体的，
[0068]
通过拉丁超立方抽样法获取样本点的具体过程为：
[0069]
步骤4.1、将随机变量随机分成n个互不重叠的等概率区间，采用随机生成的标准正态的样本矩阵zn×n表示样本点的排序，其中，n表示随机变量数量/维度；例如，在本实施例中，如随机变量一共5维，想抽取1000个点，则该矩阵维度为1000
×
5。
[0070]
步骤4.2、通过整数矩阵rn×n记录所有标准正态样本点的排序信息，得到任意区间中拉丁超立方抽样样本点的累积分布函数值f
ξ
(ξ
ij
)；
[0071][0072]
其中，rand(0,1)表示[0,1]区间内任一均匀分布的随机数，r
ij
表示第个j变量第i次抽样取值在该变量所有n个样本点中的排序。
[0073]
步骤4.3、通过等概率变换方法将累积分布函数值变换到独立标准正态空间中，得到拉丁超立方抽样样本点集合。设样本点为θ＝{e,ν,fy,μ,w}，则拉丁超立方抽样样本点集合为：
[0074]
θ
ij
＝φ-1
(f
ξ
(ξ
ij
))
[0075]
其中，ф-1
(.)为标准正态分布累积分布的逆函数。
[0076]
在得到样本点后，结合monte carlo法以及功能函数即可求解金属屋面系统的失效概率pf和可靠度指标β。
[0077]
具体的，失效概率表达式为：
[0078][0079]
其中，为失效域的指示函数，θk为第k次模拟的样本点，g(θk)为第k次样本点对应的功能函数值；
[0080]
可靠度指标β为：
[0081]
β＝-φ-1
(pf)
[0082]
其中，ф为标准正态分布函数，失效概率pf越小，可靠度指标β越大，结构的可靠度越高。将计算得到的可靠度指标β与《建筑结构可靠度设计统一标准》(gb50068-2018)对比，可直观的反映该金属屋面在风荷载作用下的安全水平。
[0083]
本实施例中采用的结合拉丁超立方抽样的monte carlo法(lhs-mcs)对阀厅直立锁边金属屋面系统进行抗风揭可靠度分析，其与传统的monte carlo法计算结果对比如下表1所示，
[0084]
表1可靠度计算结果
[0085][0086]
可以看到，本发明提出的可靠度计算方法兼顾精度和效率，其计算次数仅为传统的monte carlo法的1％，而可靠度结果相对误差仅为1.86％，说明本发明提出的方法可切实可行的应用于阀厅直立锁边金属屋面系统抗风揭可靠度分析中。
[0087]
需要说明的是，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术
方案进行清楚、完整地描述，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0088]
尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。