本发明涉及输电线路设计荷载计算领域，具体涉及一种钢管输电塔塔架的风荷载体型系数的确认方法及装置。
背景技术：
钢管输电塔风荷载效应属于典型的钝体绕流范畴，常伴有气流分离、再附和旋涡脱落等现象，其雷诺数效应较为复杂。雷诺数作为钢管输电塔风荷载计算的关键参数之一，钢管节段风荷载体型系数会随着雷诺数的变化而改变，使得钢管输电塔结构在不同来流风速下会表现出不同的响应特征，如何准确考虑这一变化的影响，是钢管输电塔抗风设计中需要解决的关键问题。
现有的钢管输电塔塔架的风荷载体型系数确认方法存在：实际操作中钢管构件的风荷载取值偏于危险，雷诺数效应的影响因素考虑不全面，因此，导致计算的钢管输电塔风荷载体型系数的精确度不高。
技术实现要素：
为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种钢管输电塔塔架的风荷载体型系数的确认方法及装置。
本发明提供的技术方案是：一种钢管输电塔塔架的风荷载体型系数的确认方法，包括：
基于预先搭建的风洞试验模型得到钢管塔架的背风面风荷载降低系数；
根据钢管输电塔的施工图和所处的风场特征得到钢管输电塔桁架的加权风荷载体型系数；
基于所述背风面风荷载降低系数和钢管输电塔桁架的加权风荷载体型系数确定钢管输电塔塔架的风荷载体型系数。
优选的，所述根据钢管输电塔的施工图和所处的风场特征得到钢管输电塔桁架的加权风荷载体型系数，包括：
基于钢管输电塔所处的风场特征计算风场脉动风影响的雷诺数修正系数；
基于钢管输电塔施工图计算不同空间位置钢管构件的雷诺数修正系数；
基于所述风场脉动风影响的雷诺数修正系数和不同空间位置钢管构件的雷诺数修正系数计算钢管输电塔桁架的加权风荷载体型系数。
优选的，所述基于钢管输电塔所处的风场特征计算风场脉动风影响的雷诺数修正系数，如下式所示：
ki＝1-iz
式中：ki：风场脉动风影响的雷诺数修正系数；iz：钢管输电塔节段形心高度z处的湍流强度；z：钢管输电塔节段形心高度；
其中，钢管输电塔节段形心高度z处的湍流强度iz，按下式计算：
式中：ih：高度h的湍流强度；h：预设高度；α：地面粗糙度指数。
优选的，所述基于钢管输电塔施工图计算不同空间位置钢管构件的雷诺数修正系数，如下式所示：
式中：ksi：第i根钢管构件的空间位置对雷诺数的修正系数；βi：风向与第i根钢管构件轴向的夹角。
优选的，所述基于所述风场脉动风影响的雷诺数修正系数和不同空间位置钢管构件的雷诺数修正系数计算钢管输电塔桁架的加权风荷载体型系数，包括：
基于所述风场脉动风影响的雷诺数修正系数和不同空间位置钢管构件的雷诺数修正系数计算修正后的钢管输电塔构件雷诺数；
根据所述修正后的钢管输电塔构件雷诺数计算钢管输电塔塔架的风荷载体型系数；
基于所述钢管输电塔塔架的风荷载体型系数和钢管构件的有效投影面积计算得到钢管输电塔桁架的加权风荷载体型系数。
优选的，所述基于所述风场脉动风影响的雷诺数修正系数和不同空间位置钢管构件的雷诺数修正系数计算修正后的钢管输电塔构件雷诺数，如下式所示：
rei＝kiksi(6.9×104vzdi)
式中：rei：修正后的第i根钢管构件的雷诺数；ki：风场脉动风影响的雷诺数修正系数；ksi：第i根钢管构件的空间位置对雷诺数的修正系数；vz：钢管输电塔节段形心高度z处的换算风速；z：钢管输电塔节段形心高度；di：第i根钢管构件的外径。
优选的，所述根据所述修正后的钢管输电塔构件雷诺数计算钢管输电塔塔架的风荷载体型系数，如下式所示：
式中：cdfi：钢管输电塔塔架中第i根钢管的风荷载体型系数；rei：修正后第i根钢管构件的雷诺数。
优选的，所述基于所述钢管输电塔塔架的风荷载体型系数和钢管输电塔桁架的加权风荷载体型系数计算得到钢管输电塔桁架的加权风荷载体型系数，如下式所示：
式中：
优选的，所述基于风洞试验模型得到钢管塔架的背风面风荷载降低系数，包括：
在预先建立的风洞试验模型中，测量迎风面风荷载体型系数和背风面风荷载体型系数；
基于所述背风面风荷载体型系数和迎风面风荷载体型系数计算得到钢管塔架的背风面风荷载降低系数；
所述风洞试验模型根据钢管输电塔的结构施工图确定。
优选的，所述基于所述背风面风荷载体型系数和迎风面风荷载体型系数计算得到钢管塔架的背风面风荷载降低系数，如下式所示：
式中：η：钢管塔架的背风面风荷载降低系数；μb：背风面风荷载体型系数；μf：迎风面风荷载体型系数。
优选的，所述基于所述背风面风荷载降低系数和钢管输电塔桁架的加权风荷载体型系数确定钢管输电塔塔架的风荷载体型系数，如下式所示：
式中：cdt：钢管输电塔塔架的风荷载体型系数；
基于同一发明构思，本发明还提供了一种钢管输电塔塔架的风荷载体型系数的确认装置，包括：
背风面系数模块，用于基于预先搭建的风洞试验模型得到钢管塔架的背风面风荷载降低系数；
脉动风模块，用于根据钢管输电塔的施工图和所处的风场特征得到钢管输电塔桁架的加权风荷载体型系数；
确定模块，用于基于所述背风面风荷载降低系数和钢管输电塔桁架的加权风荷载体型系数确定钢管输电塔塔架的风荷载体型系数。
优选的，所述脉动风模块，包括：
第一修正子模块，用于基于钢管输电塔所处的风场特征计算风场脉动风影响的雷诺数修正系数；
第二修正子模块，用于基于钢管输电塔施工图计算不同空间位置钢管构件的雷诺数修正系数；
脉动风子模块，用于基于所述风场脉动风影响的雷诺数修正系数和不同空间位置钢管构件的雷诺数修正系数计算钢管输电塔桁架的加权风荷载体型系数。
优选的，所述脉动风子模块，包括：
第一结果单元，用于基于所述风场脉动风影响的雷诺数修正系数和不同空间位置钢管构件的雷诺数修正系数计算修正后的钢管输电塔构件雷诺数；
第二结果单元，用于根据所述修正后的钢管输电塔构件雷诺数计算钢管输电塔塔架的风荷载体型系数；
第三结果单元，用于基于所述钢管输电塔塔架的风荷载体型系数和钢管构件的有效投影面积计算得到钢管输电塔桁架的加权风荷载体型系数。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的技术方案，基于预先搭建的风洞试验模型得到钢管塔架的背风面风荷载降低系数；根据钢管输电塔的施工图和所处的风场特征得到钢管输电塔桁架的加权风荷载体型系数；基于所述背风面风荷载降低系数和钢管输电塔桁架的加权风荷载体型系数确定钢管输电塔塔架的风荷载体型系数，考虑了钢管背风面遮挡效应、脉动风效应和钢管空间位置影响，提高了确认钢管输电塔风荷载体型系数的精确度。
附图说明
图1为本发明一种钢管输电塔塔架的风荷载体型系数的确认方法流程图；
图2为本发明中钢管构件与来流方向的空间位置示意图；
图3为本发明钢管输电塔塔身节段的施工图；
1‐钢管构件轴线；2‐钢管构件；3‐来流所在水平面与钢管构件轴线方向的椭圆切平面的长轴直径；4‐塔身主材；5‐横隔面水平构件；6‐塔身斜材。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
实施例1
图1为一种钢管输电塔塔架的风荷载体型系数的确认方法流程图，如图1所述，包括以下步骤：
步骤s101、基于预先搭建的风洞试验模型得到钢管塔架的背风面风荷载降低系数；
步骤s102、根据钢管输电塔的施工图和所处的风场特征得到钢管输电塔桁架的加权风荷载体型系数；
步骤s103、基于所述背风面风荷载降低系数和钢管输电塔桁架的加权风荷载体型系数确定钢管输电塔塔架的风荷载体型系数。
步骤s101具体包括：
在预先建立的风洞试验模型中，把钢管塔架迎风面与高频测力天平相连，背风面与高频测力天平分离且安装在滑动导轨上移动，测出迎风面风荷载体型系数；
再把钢管塔架背风面与高频测力天平相连，迎风面与高频测力天平分离且安装在滑动导轨上移动，测出背风面风荷载体型系数；
基于背风面风荷载体型系数和迎风面风荷载体型系数计算得到钢管塔架的背风面风荷载降低系数，如下式所示：
式中：η：钢管塔架的背风面风荷载降低系数；μb：背风面风荷载体型系数；μf：迎风面风荷载体型系数。
根据钢管输电塔的结构施工图进行设计风洞试验模型。
步骤s102具体包括：
①基于钢管输电塔所处的风场特征计算风场脉动风影响的雷诺数修正系数，如下式所示：
ki＝1-iz
式中：ki：风场脉动风影响的雷诺数修正系数；iz：钢管输电塔节段形心高度z处的湍流强度；z：钢管输电塔节段形心高度；
其中，钢管输电塔节段形心高度z处的湍流强度iz，按下式计算：
式中：ih：高度h的湍流强度；h：预设高度；α：地面粗糙度指数。
在本实施例中，预设高度h＝10，则钢管输电塔节段形心高度z处的湍流强度iz，按下式计算：
式中：i10：高度10m的湍流强度。
②基于钢管输电塔施工图计算不同空间位置钢管构件的雷诺数修正系数；
a、根据钢管输电塔施工图确定钢管构件轴线和钢管外径；
b、根据钢管外径计算来流所在水平面与钢管构件轴线方向的椭圆切平面的长轴直径，按下式所示：
式中：dci：长轴直径；di：第i根钢管构件的外径；βi：风向与第i根钢管构件轴向的夹角。
c、根据长轴直径计算钢管构件空间位置对雷诺数的修正系数，如下式所示：
式中：ksi：第i根钢管构件的空间位置对雷诺数的修正系数。
由b和c中的公式可知，基于钢管输电塔施工图计算不同空间位置钢管构件的雷诺数修正系数，还可以按下式计算：
式中：ksi：第i根钢管构件的空间位置对雷诺数的修正系数；βi：风向与第i根钢管构件轴向的夹角。
③基于风场脉动风影响的雷诺数修正系数和不同空间位置钢管构件的雷诺数修正系数计算钢管输电塔桁架的加权风荷载体型系数，包括：
a、基于风场脉动风影响的雷诺数修正系数和不同空间位置钢管构件的雷诺数修正系数计算修正后的钢管输电塔构件雷诺数，如下式所示：
rei＝kiksi(6.9×104vzdi)
式中：rei：修正后的第i根钢管构件的雷诺数；ki：风场脉动风影响的雷诺数修正系数；ksi：第i根钢管构件的空间位置对雷诺数的修正系数；vz：钢管输电塔节段形心高度z处的换算风速；z：钢管输电塔节段形心高度；di：第i根钢管构件的外径。
b、根据修正后的钢管输电塔构件雷诺数计算钢管输电塔塔架的风荷载体型系数，如下式所示：
式中：cdfi：钢管输电塔塔架中第i根钢管的风荷载体型系数；rei：修正后第i根钢管构件的雷诺数。
c、基于钢管输电塔塔架的风荷载体型系数和钢管构件的有效投影面积计算得到钢管输电塔桁架的加权风荷载体型系数，如下式所示：
式中：
步骤s103具体包括：
基于背风面风荷载降低系数和钢管输电塔桁架的加权风荷载体型系数确定钢管输电塔塔架的风荷载体型系数，如下式所示：
式中：cdt：钢管输电塔塔架的风荷载体型系数；
本实施例中的提供的确认方法，解决了现行规范确认方法无法考虑钢管背风面遮挡效应、脉动风效应和钢管空间位置影响的问题，具有更好的适用性和更高的精度。
实施例2
以某山区500kv输电线路钢管输电塔为例，如图3所示，该节段塔身主材、横隔面水平构件和塔身斜材的规格分别为φ356×10、φ168×5和φ219×5。该塔所处风场粗糙度类别为b类，设计风速v＝30m/s，附图3所示节段的形心距离地面高度z＝20m。
步骤(1)确定钢管塔架的背风面风荷载降低系数
根据钢管输电塔结构施工图设计钢管输电塔节段足尺风洞试验模型，分别把钢管塔架迎风面或背风面单独与高频测力天平相连，另一个面安装在滑动导轨上移动，该面与高频测力天平分离，分别测出背风面风荷载体型系数μb与迎风面风荷载体型系数μf，由式(a)计算得到钢管塔架的背风面风荷载降低系数η。
首先按照步骤(1)方法，根据附图3所示钢管输电塔塔身的节段施工图设计钢管输电塔节段足尺风洞试验模型，分别把钢管塔架迎风面或背风面单独与高频测力天平相连，另一个面安装在滑动导轨上移动，该面与高频测力天平分离，分别测出背风面风荷载体型系数μb＝0.84与迎风面风荷载体型系数μf＝1.40，由式(a)计算得到钢管塔架的背风面风荷载降低系数η。
η＝0.84/1.40＝0.60
步骤(2)考虑实际风场脉动风影响的雷诺数修正系数
由钢管输电塔所处的实际风场特征，确定钢管输电塔节段形心高度z处的湍流强度iz，由湍流强度iz计算钢管构件的雷诺数修正系数ki：
式中：ih：高度h的湍流强度；h：预设高度；α：地面粗糙度指数。
在本实施例中，预设高度h＝10，则高度z处的湍流强度iz，按下式计算：
ki＝1-iz(c)
式中：iz为湍流强度，是表征风场脉动风效应的参数；i10为10m高处的湍流强度，对应于a、b、c和d类地貌，分别取0.12、0.14、0.23和0.39；α为地面粗糙度指数，对应于a、b、c和d类地貌，分别取0.12、0.15、0.22和0.30。
按照步骤(2)方法，该塔所处风场粗糙度类别为b类，地面粗糙度指数α＝0.15，节段的形心距离地面高度z＝20m，由式(b)得到：
由式(c)得到：
ki＝1-iz＝1-0.126＝0.874。
步骤(3)不同空间位置钢管构件的雷诺数修正系数
由钢管输电塔施工图确定第i根钢管构件轴线方向和钢管外径di，计算来流所在水平面与第i根钢管构件轴线方向的椭圆切平面的长轴直径dci，如图2所示，由式(e)计算第i根钢管构件空间位置钢管挂件的雷诺数修正系数ksi：
式中：βi为风向与第i根钢管构件轴向的夹角(°)。
按照步骤(3)方法，分别计算附图3塔身节段塔身主材、横隔面水平构件和塔身斜材的钢管构件的雷诺数修正系数，图3中典型钢管输电塔塔身节段施工图的正面与侧面相同。
塔身主材、横隔面水平构件和塔身斜材的钢管外径di分别为0.356m、0.168m和0.219m，风向与钢管构件轴向的夹角βi分别为65°、90°和40°；
由式(d)得到来流所在水平面与钢管构件轴线方向的椭圆切平面的长轴直径dci分别为0.393m、0.168m和0.341m；
由式(e)得到三根构件空间位置钢管挂件的雷诺数修正系数ksi分别为1.104、1.0、1.557。
步骤(4)钢管输电塔节段单片桁架风荷载体型系数计算
根据步骤(2)、步骤(3)确定的塔身节段塔身主材、横隔面水平构件和塔身斜材的钢管构件的雷诺数修正系数ki和ksi；
按照式(f)计算出塔身主材、横隔面水平构件和塔身斜材的雷诺数rei分别为7.85×105、3.04×105和6.17×105；
rei＝kiksi(6.9×104vzdi)(f)
然后根据式(g)计算三根构件的风荷载体型系数cdfi分别为0.6、0.83和0.6。三根钢管构件的投影面积ai分别为6m2、1m2和3m2；
式中：cdfi：钢管输电塔塔架中第i根钢管的风荷载体型系数；rei：修正后第i根钢管构件的雷诺数。
根据式(h)计算得到钢管输电塔节段加权风荷载体型系数
代入参数数值得到：
式中：vz为钢管塔架形心所处高度换算风速(m/s)；di为第i根钢管的构件外径(m)。
步骤(5)钢管输电塔塔架风荷载体型系数计算
根据步骤(1)和步骤(4)，分别得到钢管输电塔背风面风荷载降低系数修正系数η和单片桁架加权风荷载体型系数
按照式(i)计算钢管输电塔塔架的风荷载体型系数：
cdt＝0.623×(1+0.6)＝0.997。
基于同一发明构思，本实施例还提供了一种钢管输电塔塔架的风荷载体型系数的确定装置，包括：
背风面系数模块，用于基于预先搭建的风洞试验模型得到钢管塔架的背风面风荷载降低系数；
脉动风模块，用于根据钢管输电塔的施工图和所处的风场特征得到钢管输电塔桁架的加权风荷载体型系数；
确定模块，用于基于所述背风面风荷载降低系数和钢管输电塔桁架的加权风荷载体型系数确定钢管输电塔塔架的风荷载体型系数。
实施例中，所述脉动风模块，包括：
第一修正子模块，用于基于钢管输电塔所处的风场特征计算风场脉动风影响的雷诺数修正系数；
第二修正子模块，用于基于钢管输电塔施工图计算不同空间位置钢管构件的雷诺数修正系数；
脉动风子模块，用于基于所述风场脉动风影响的雷诺数修正系数和不同空间位置钢管构件的雷诺数修正系数计算钢管输电塔桁架的加权风荷载体型系数。
所述脉动风子模块，包括：
第一结果单元，用于基于所述风场脉动风影响的雷诺数修正系数和不同空间位置钢管构件的雷诺数修正系数计算修正后的钢管输电塔构件雷诺数；
第二结果单元，用于根据所述修正后的钢管输电塔构件雷诺数计算钢管输电塔塔架的风荷载体型系数；
第三结果单元，用于基于所述钢管输电塔塔架的风荷载体型系数和钢管构件的有效投影面积计算得到钢管输电塔桁架的加权风荷载体型系数。
所述背风面系数模块，包括：
第一测量单元，用于在预先建立的风洞试验模型中，把钢管塔架迎风面与高频测力天平相连，背风面与高频测力天平分离且安装在滑动导轨上移动，测出迎风面风荷载体型系数；
第二测量单元，用于把钢管塔架背风面与高频测力天平相连，迎风面与高频测力天平分离且安装在滑动导轨上移动，测出背风面风荷载体型系数；
计算背风面系数单元，用于基于所述背风面风荷载体型系数和迎风面风荷载体型系数计算得到钢管塔架的背风面风荷载降低系数；
设计单元，用于根据钢管输电塔的结构施工图进行设计所述风洞试验模型。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。