一種電視塔震害預(yù)測(cè)評(píng)估方法與流程

本發(fā)明涉及電視塔震害預(yù)測(cè)評(píng)估方法。
背景技術(shù)：
：廣播電視塔往往比較高，作為特殊的高聳建筑結(jié)構(gòu)，隨著高度的增加，功能多樣化，其結(jié)構(gòu)形式也在不斷發(fā)展。從最初的221.2m到現(xiàn)在的610m，電視塔不僅在高度上，而且在結(jié)構(gòu)等方面都在不斷完善，也從最初的通訊等單一功能演變成集通訊、娛樂等為一體的綜合性建筑，亦成為城市的地標(biāo)性建筑。電視塔結(jié)構(gòu)類型以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)為主。目前，我國(guó)已建成的大型電視塔中，鋼結(jié)構(gòu)塔約占70％，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)塔約占30％。由于防銹維護(hù)困難等因素鋼結(jié)構(gòu)塔逐漸被鋼筋混凝土塔取代。電視塔是通信系統(tǒng)中重要組成部分。地震中，電視塔有可能造成一定的破壞，從而引起通訊中斷。而破壞的程度對(duì)抗震應(yīng)急救災(zāi)、震后恢復(fù)等都很大影響，因此，對(duì)于電視塔的震害預(yù)測(cè)具有重要意義。目前，由于電視塔結(jié)構(gòu)形式多樣，震害經(jīng)驗(yàn)也比較少，國(guó)內(nèi)外還沒有電視塔的震害預(yù)測(cè)方法，用有限元計(jì)算又費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且需要精確了解電視塔的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，這往往由于保密等因素很難辦到，對(duì)于需要馬上了解電視塔震害預(yù)測(cè)結(jié)果更是缺少時(shí)效性。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有電視塔的震害預(yù)測(cè)采用有限元計(jì)算又費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且需要精確了解電視塔的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，預(yù)測(cè)結(jié)果缺少時(shí)效性的缺點(diǎn)，而提出一種電視塔震害預(yù)測(cè)評(píng)估方法。一種電視塔震害預(yù)測(cè)評(píng)估方法具體過程為：步驟一、確定電視塔參數(shù)；電視塔參數(shù)包括塔身高度h、電視塔總高度H、PGA和地震破壞等級(jí)指數(shù)；根據(jù)電視塔當(dāng)?shù)氐牧叶?，確定PGA取值；PGA為地面加速度峰值，單位為cm/s2；步驟二、如果兩種情況參數(shù)同時(shí)存在，用通用公式3表示地震破壞等級(jí)指數(shù)；兩種情況參數(shù)為：情況1：以塔身高度和PGA為變量；情況2：以電視塔總高度和PGA為變量；ID＝max[IDi]j(3)式中，IDi分別為采用塔身高度和電視塔總高度計(jì)算的地震破壞等級(jí)指數(shù)；i＝1,2，j＝6,7,8,9,10分別表示烈度為VI度、VII度、VIII度、IX度和X度；[IDi]j對(duì)應(yīng)烈度為VI度、VII度、VIII度、IX度和X度的破壞等級(jí)指數(shù)；步驟三、查詢地震破壞等級(jí)指數(shù)ID與破壞等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，確定電視塔的破壞等級(jí)。本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明發(fā)明了一個(gè)快速計(jì)算電視塔地震破壞狀態(tài)的震害預(yù)測(cè)模型。該模型以國(guó)外內(nèi)現(xiàn)有的電視塔地震彈塑性分析結(jié)果為基礎(chǔ)，提煉出以塔身高度、總高度和地面峰值加速度為參數(shù)的模型，所需要的參數(shù)比較少，而且參數(shù)比較易獲得，能夠快速給出預(yù)測(cè)結(jié)果。通過分析，表明該方法模型對(duì)電視塔震害預(yù)測(cè)工作具有很好的適用性，可以對(duì)電視塔進(jìn)行快速評(píng)估。當(dāng)?shù)卣鹌茐牡燃?jí)指數(shù)0≤ID≤30時(shí)，電視塔的破壞等級(jí)為基本完好；當(dāng)?shù)卣鹌茐牡燃?jí)指數(shù)30＜ID≤50時(shí)，電視塔的破壞等級(jí)為輕微破壞；當(dāng)?shù)卣鹌茐牡燃?jí)指數(shù)50＜ID≤70時(shí)，電視塔的破壞等級(jí)為中等破壞；當(dāng)?shù)卣鹌茐牡燃?jí)指數(shù)70＜ID≤90時(shí)，電視塔的破壞等級(jí)為嚴(yán)重破壞；當(dāng)?shù)卣鹌茐牡燃?jí)指數(shù)ID＞90時(shí)，電視塔的破壞等級(jí)為毀壞。本發(fā)明創(chuàng)造的優(yōu)點(diǎn)、特點(diǎn)、主要性能指標(biāo)：1)所需要的參數(shù)少且易獲得；2)能夠快速給出預(yù)測(cè)結(jié)果，計(jì)算效率級(jí)數(shù)提高；3)該發(fā)明對(duì)電視塔具有很好的適用性；4)其精度能夠滿足震害預(yù)測(cè)工作的需要。附圖說明圖1為電視塔地震破壞等級(jí)指數(shù)計(jì)算公式擬合三維曲面圖；圖2為擬合Y-Z投影圖；圖3為以總高度和PGA為變量的擬合三維曲面圖；圖4為圖3的Y-Z投影圖；圖5為各個(gè)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果圖；圖6為兩個(gè)公式的誤差大小示意圖；圖7為深圳梧桐山電視塔的有限元模型圖；圖8為X方向第一階振型2.1005s示意圖；圖9為Y方向第一階振型2.0924s示意圖；圖10為X方向第二階振型1.4538s示意圖；圖11為Y方向第二階振型1.4526s示意圖；圖12為X方向第三階振型0.7950s示意圖；圖13為Y方向第三階振型0.8025s示意圖。具體實(shí)施方式具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式的一種電視塔震害預(yù)測(cè)評(píng)估方法具體過程為：步驟一、確定電視塔參數(shù)；電視塔參數(shù)包括塔身高度h、電視塔總高度H、PGA和地震破壞等級(jí)指數(shù)；根據(jù)電視塔當(dāng)?shù)氐牧叶龋_定PGA取值；PGA為地面加速度峰值，單位為cm/s2；步驟二、如果兩種情況參數(shù)同時(shí)存在，則用公式1和2分別計(jì)算，采用震害較大的情況，用通用公式3表示表示地震破壞等級(jí)指數(shù)；兩種情況參數(shù)為：情況1：以塔身高度和PGA為變量；情況2：以電視塔總高度和PGA為變量；ID＝max[IDi]j(3)式中，IDi分別為采用塔身高度和電視塔總高度計(jì)算的地震破壞等級(jí)指數(shù)；i＝1,2，j＝6,7,8,9,10分別表示烈度為VI度、VII度、VIII度、IX度和X度；[IDi]j對(duì)應(yīng)烈度為VI度、VII度、VIII度、IX度和X度的破壞等級(jí)指數(shù)；步驟三、查詢地震破壞等級(jí)指數(shù)與破壞等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示，確定電視塔的破壞等級(jí)。具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：所述步驟一中確定電視塔參數(shù)；電視塔參數(shù)包括電視塔名稱、塔身高度h、總高度H、PGA、最大層間位移角和地震破壞等級(jí)指數(shù)；具體過程為：根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)確定了廣播電視塔層間位移角與地震破壞等級(jí)以及地震破壞等級(jí)指數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。地震破壞等級(jí)、地震破壞等級(jí)指數(shù)ID、層間位移角θu三者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。表1破壞等級(jí)指數(shù)與破壞等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)電視塔參數(shù)包括電視塔名稱、塔身高度h、總高度H、PGA、最大層間位移角和地震破壞等級(jí)指數(shù)；如表2所示：所統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)據(jù)首先統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)外(以國(guó)內(nèi)為主)廣播電視塔地震彈塑性分析結(jié)果，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。包括電視塔名稱、塔身高度、總高度、PGA、最大層間位移角等信息。表2電視塔樣本信息根據(jù)表1和表2中的相關(guān)數(shù)據(jù)，當(dāng)以塔身高度和PGA為變量時(shí)，擬合得到置信區(qū)間為95％的電視塔地震破壞等級(jí)指數(shù)ID預(yù)測(cè)公式為：式中，ID1為以塔身高度和PGA為變量時(shí)的地震破壞等級(jí)指數(shù)；h為塔身高度，單位為米；PGA為地面加速度峰值，單位為cm/s2；需要注意的是公式1為擬合公式，變量單位并無實(shí)際物理意義，輸入時(shí)取無量綱數(shù)值；擬合結(jié)果表明，公式1的確定系數(shù)(R-square)為0.9807；公式擬合曲面見圖1，根據(jù)圖1、2可知公式擬合結(jié)果較好。另一方面，從曲面的走勢(shì)可以看出，高度一定，PGA越大，破壞等級(jí)指數(shù)越大；PGA越大，尤其在PGA非常大時(shí)，高度越小，破壞等級(jí)指數(shù)越大。這些都比較符合破壞指數(shù)的變化趨勢(shì)，可以認(rèn)為擬合趨勢(shì)正確，擬合結(jié)果較好。當(dāng)以電視塔總高度和PGA為變量時(shí)，擬合得到置信區(qū)間為95％的電視塔地震破壞等級(jí)指數(shù)預(yù)測(cè)公式為：式中，ID2為以電視塔總高度和PGA為變量時(shí)的地震破壞等級(jí)指數(shù)；H為塔總高度，單位為米；PGA為地面加速度峰值，單位為cm/s2；變量單位并無實(shí)際物理意義，輸入時(shí)取無量綱數(shù)值。擬合結(jié)果表明，公式2的確定系數(shù)(R-square)為0.8924；公式擬合曲面見圖3和圖4，根據(jù)圖3、4可知公式擬合結(jié)果較好。需要注意的是，公式2在靠近原點(diǎn)處有可能會(huì)小于0，因此，公式2中當(dāng)ID2<0時(shí)，取ID2＝0；用公式1和2分別計(jì)算這些點(diǎn)，并考慮破壞狀態(tài)，見圖5，結(jié)合表1可以得到，用公式1和公式2計(jì)算的結(jié)果準(zhǔn)確率都能達(dá)到82％。但從誤差大小來看，如圖6所示，絕大多數(shù)點(diǎn)的誤差都比較接近，都使結(jié)果落入同一個(gè)破壞狀態(tài)區(qū)間，但是從圖6可以看到，公式2在個(gè)別點(diǎn)計(jì)算上使誤差偏移的不是很大，雖然結(jié)果依然沒有落入正確的破壞區(qū)間。對(duì)于電視塔的震害預(yù)測(cè)來說，兩種公式計(jì)算的精度是一樣的，采用公式時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)的情況選用即可。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一相同。具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二不同的是：所述當(dāng)以塔身高度和PGA為變量時(shí)，擬合得到置信區(qū)間為95％的電視塔地震破壞等級(jí)指數(shù)ID預(yù)測(cè)公式(1)具體求解過程為：根據(jù)h和PGA，采用曲面擬合，擬合模型為：式中，p00、p01、p02、p03、p04為系數(shù)，均為實(shí)數(shù)；經(jīng)過曲面擬合并保證置信區(qū)間為95％，各個(gè)系數(shù)的取值及范圍，其中取值為數(shù)據(jù)范圍的期望值；p00取值范圍為-57.74≤p00≤138.2，p00取40.22；p01取值范圍為-8.881≤p01≤3.258，p01取-2.881；p02取值范圍為0.03451≤p02≤0.3215，p02取0.178；p03取值范圍為-5.387e-005≤p03≤2.28e-005，p03取-1.553e-005；p04取值范圍為-0.0001823≤p04≤0.0001668，p04取-7.741e-006；其中，公式1的確定系數(shù)R-square為0.9807，擬合效果較好。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一或二相同。具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至三之一不同的是：所述當(dāng)以電視塔總高度和PGA為變量時(shí)，擬合得到置信區(qū)間為95％的電視塔地震破壞等級(jí)指數(shù)預(yù)測(cè)公式(2)具體求解過程為：根據(jù)H和PGA數(shù)據(jù)，采用曲面擬合，擬合模型為：式中，p00、p01、p02、p03、p04為系數(shù)，均為實(shí)數(shù)；經(jīng)過曲面擬合并保證置信區(qū)間為95％，各個(gè)系數(shù)的取值及范圍，其中取值為數(shù)據(jù)范圍的期望值；p00取值范圍為-313.9≤p00≤207.1，p00取-53.4；p01取值范圍為-11≤p01≤15.46，p01取2.23；p02取值范圍為-0.2209≤p02≤0.7066，p02取0.2429；p03取值范圍為-3.985e-005≤p03≤4.105e-005，p03取5.978e-007；p04取值范圍為-0.0004565≤p04≤9.963e-005，p04取-0.0001784；其中，公式2的確定系數(shù)R-square為0.8924，擬合效果較好。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至三之一相同。具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至四之一不同的是：所述步驟一中根據(jù)電視塔當(dāng)?shù)氐牧叶?，確定PGA取值；具體過程為：地面加速度峰值PGA是一個(gè)連續(xù)的數(shù)，一般是大于0的數(shù)，但是在做震害預(yù)測(cè)工作時(shí)，有時(shí)候需要以烈度給出結(jié)果，有時(shí)候需要以PGA給出，趨勢(shì)是以PGA給出，因此出現(xiàn)了結(jié)果既有烈度又有PGA的情況。這里給出的是PGA為參數(shù)的函數(shù)，考慮的不光是給出震害預(yù)測(cè)的結(jié)果，而是想看電視塔的破壞到底是和PGA是什么關(guān)系，震害預(yù)測(cè)結(jié)果只是被提取出來而已。PGA與烈度有一個(gè)大致的對(duì)應(yīng)關(guān)系，烈度為VI度對(duì)應(yīng)50cm/s2，烈度為VII度對(duì)應(yīng)100(150)cm/s2，烈度為VIII度對(duì)應(yīng)200(300)cm/s2，烈度為IX度對(duì)應(yīng)400cm/s2，烈度為X度對(duì)應(yīng)800cm/s2；烈度為VI度時(shí)，地面加速度峰值PGA為50cm/s2，即0.05g；烈度為VII度時(shí)，地面加速度峰值PGA為100cm/s2，即0.1g；烈度為VIII度時(shí)，地面加速度峰值PGA為200cm/s2，即0.2g；烈度為IX度時(shí)，地面加速度峰值PGA為400cm/s2，即0.4g；烈度為X度時(shí)，地面加速度峰值PGA為800cm/s2，即0.8g；烈度為VII強(qiáng)時(shí)，地面加速度峰值PGA為150cm/s2，即0.15g；烈度為VIII強(qiáng)時(shí)，地面加速度峰值PGA為300cm/s2，即0.3g；地面加速度峰值PGA為150cm/s2、300cm/s2分別是針對(duì)VII強(qiáng)和VIII強(qiáng)地區(qū)。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至四之一相同。具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至五之一不同的是：所述步驟三中查詢地震破壞等級(jí)指數(shù)與破壞等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示，確定電視塔的破壞等級(jí)；具體過程為：破壞等級(jí)分為五類，即基本完好，輕微破壞，中等破壞，嚴(yán)重破壞和毀壞；各破壞等級(jí)的具體描述如下：基本完好：結(jié)構(gòu)沒有受損，不經(jīng)維修即可使用；輕微破壞：塔體完好，天線傾斜，部分設(shè)備緊固件損壞，經(jīng)短期維修即可使用；中等破壞：斜桿、橫桿等非主要構(gòu)尖稍有屈曲，塔體稍有永久變形，需經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間修理方可使用；嚴(yán)重破壞：塔柱屈曲，塔體嚴(yán)重傾倒，難以修復(fù)。毀壞：塔柱混凝土被壓碎，塔體局部倒塌或整體倒塌。當(dāng)?shù)卣鹌茐牡燃?jí)指數(shù)0≤ID≤30時(shí)，電視塔的破壞等級(jí)為基本完好；當(dāng)?shù)卣鹌茐牡燃?jí)指數(shù)30＜ID≤50時(shí)，電視塔的破壞等級(jí)為輕微破壞；當(dāng)?shù)卣鹌茐牡燃?jí)指數(shù)50＜ID≤70時(shí)，電視塔的破壞等級(jí)為中等破壞；當(dāng)?shù)卣鹌茐牡燃?jí)指數(shù)70＜ID≤90時(shí)，電視塔的破壞等級(jí)為嚴(yán)重破壞；當(dāng)?shù)卣鹌茐牡燃?jí)指數(shù)ID＞90時(shí)，電視塔的破壞等級(jí)為毀壞。采用以下實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果：實(shí)施例一：本實(shí)施例一種電視塔震害預(yù)測(cè)評(píng)估方法具體是按照以下步驟制備的：(1)確定電視塔的基本參數(shù)；(2)根據(jù)電視塔所在地區(qū)查詢當(dāng)?shù)鼗玖叶人鶎?duì)應(yīng)的PGA數(shù)值，比如某些地區(qū)的VIII度是對(duì)應(yīng)150cm/s2，而有的地區(qū)是對(duì)應(yīng)100cm/s2；(3)根據(jù)已知參數(shù)選擇公式，如果是塔身高度采用公式1，總高度選擇公式2；(4)采用公式3計(jì)算；(5)根據(jù)公式1、2、3計(jì)算出的數(shù)值查詢破壞等級(jí)指數(shù)與破壞等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(表1)；可得到電視塔的破壞狀態(tài)。深圳梧桐山電視塔，建在深圳市東側(cè)梧桐山風(fēng)景區(qū)內(nèi)的小梧桐山山頂。該樓由塔樓、塔身及塔座組成，其中塔身、塔樓、塔座均為鋼結(jié)構(gòu)?？偨ㄖ娣e為8283m2，其中塔座5269m2，塔樓3014m2。建筑基地面積為862m2。塔座為5層，塔樓7層，建筑高度為198m。鋼結(jié)構(gòu)總高度205m，塔±0.000米標(biāo)高相當(dāng)于海拔高程649.600米。鋼管混凝土塔柱，其鋼管采用Q235-B鋼制成的直縫焊接鋼管，現(xiàn)場(chǎng)分段吊裝準(zhǔn)確就位后，鋼管內(nèi)澆灌C35混凝土。建筑場(chǎng)地類別為I類，場(chǎng)地土類型屬于中硬場(chǎng)地土?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，框架抗震等級(jí)為二級(jí)?；A(chǔ)采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，持力層為第一層砂質(zhì)粘土，其承載力標(biāo)準(zhǔn)值為220KPa。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該結(jié)構(gòu)無基礎(chǔ)不均勻沉降、開裂等異?，F(xiàn)象，使用正常。有限元計(jì)算模型如圖7所示，計(jì)算結(jié)果如圖8至13，表3所示。表3電視塔各部位最大應(yīng)力(Mpa)從震害經(jīng)驗(yàn)來看，高聳結(jié)構(gòu)震時(shí)加速度、位移較大，特別是結(jié)構(gòu)頂部更為突出，可能出現(xiàn)天線損壞，設(shè)備緊固件損壞等情況。根據(jù)電視塔各部位最大應(yīng)力與材料許用應(yīng)力的關(guān)系，可以得到電視塔的破壞狀態(tài)，如表4所示。表4有限元計(jì)算結(jié)果名稱VI度VII度VIII度IX度X度破壞狀態(tài)基本完好基本完好基本完好輕微破壞中等破壞采用公式1對(duì)梧桐山電視塔進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)照表1，得到結(jié)果如表5所示，表5公式1計(jì)算結(jié)果名稱VI度VII度VIII度IX度X度ID8.515.327.346.068.5破壞狀態(tài)基本完好基本完好基本完好輕微破壞中等破壞從表4和表5可以看到，兩種破壞狀態(tài)的結(jié)果一致，說明公式1具有很好的適用性。采用公式2對(duì)梧桐山電視塔進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)照表1，得到結(jié)果如表6所示，表6公式2計(jì)算結(jié)果名稱VI度VII度VIII度IX度X度ID01.220.348.161.4破壞狀態(tài)基本完好基本完好基本完好輕微破壞中等破壞從表4和表6可以看到，兩種破壞狀態(tài)的結(jié)果一致，說明公式2具有很好的適用性。公式1和公式2計(jì)算的結(jié)果相同，根據(jù)之前的結(jié)論，兩種公式同樣具有適用性和實(shí)用性。本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3