输电塔结构状态评估方法与流程

本发明属于输电塔监测领域，具体涉及输电塔结构状态评估方法。

背景技术：

电网输电塔是应用极广的一类高耸结构，作为重要的电力工程设施，确保主结构体系在各种荷载作用下的安全可靠运行，具有重要的经济、社会意义。然而，输电线路作为电能输送的“生命线”，倒塔断线事故却时有发生。

输电塔结构破坏事故大致可分为三类。一类是由于铁塔受外力作用，如在地震、台风、龙卷风、裹冰等静力、动力或动静联合作用下结构的失稳或超过材料的屈服极限引起的破坏。另一类事故是杆塔结构在长期服役后材料老化、螺栓松动、锈蚀等性能退化等引起固有特性产生变化，即使未超过灾害气候条件设计标准也可能造成结构局部损伤并逐渐演化为失稳或折断倒塔。再有一类就是线路途径区域复杂，如输电塔位于煤矿采空区、重工业污染区、江河湖泊湿地区域、山地易塌方区域等，周围环境发生变化会影响输电塔运行安全。

当前对输电塔运行状态的判断，一般是基于外观检查，比如定期巡检，检查螺栓松动、杆件缺失或变形、塔材腐蚀、铁塔根开变化和基础沉降情况等，再根据经验判断输电塔是否可靠运行，缺乏理论支撑。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了输电塔结构状态评估方法，基于有限元评估输电塔结构状态，方便输电线路运维检修人员及相关科研人员评估输电塔运行状态，继而采取相应措施保证输电塔结构安全。

本发明的技术方案是按以下方式实现的：

输电塔结构状态评估方法，所述的方法包括：

s1：收集输电塔及该线路相关资料，对运行情况初步掌握，并筛选出明显结构问题；

s2：运用ansys软件，建立输电塔的三维有限元计算模型及导地线有限元模型；

s3：基于输电塔三维有限元模型，计算静力学参数和动力学参数；

s4：根据静力学参数和动力学参数与其对应标准的差别，选取对应的处理方式。

进一步的，步骤s1中，输电塔及该线路相关资料包括：设计建造时间、历年事故事件、铁塔设计资料、加工图纸、导地线型号、档距及前后高差、基础型式、绝缘子型号、所处地质。

进一步的，步骤s1中，明显的结构问题包括：构件表面腐蚀厚度超过设计值的5％，构件形变超过设计值的1％，构件缺失、输电塔整体发生位移。

进一步的，步骤s2的具体实现过程为：运用ansys软件，输入输电塔塔材横截面、密度、长度、弹性模量、泊松比，建立输电塔的三维有限元计算模型，输入导地线横截面、密度、运行应力、档距、挂点坐标、弹性模量、泊松比，在输电塔上建立导地线有限元模型，从而形成塔线一体模型。

进一步的，步骤s3中，计算静力学参数的具体方法为：根据概率极限状态设计法的要求，对输电塔结构各构件的强度、刚度及局部稳定性进行计算，计算结果提取出结构位移、整体等效应力、杆件长细比、拉弯杆件计算应力、压弯杆件计算应力。

进一步的，步骤s3中，计算动力学参数的具体方法为：利用ansys软件对输电塔有限元模型直接进行模态计算，计算出前30阶模态参数判断是否出现局部模态的振型。

进一步的，步骤s4的具体判断过程为：

当结构整体等效应力最大值f不超过杆件材料设计强度值f0的80％时，或者，结构整体等效应力最大值f大于等于杆件材料设计强度值的80％、小于100％，且拉弯杆件计算应力最大值f1或压弯杆件计算应力绝对值的最大值f2小于材料设计强度值95％时，可判断输电塔运行安全；

当结构整体等效应力最大值f大于等于杆件材料设计强度值的80％、小于100％，且拉弯杆件计算应力最大值f1或压弯杆件计算应力绝对值的最大值f2大于等于材料设计强度值95％但小于材料设计强度值110％时，输电塔运行为注意状态，应加强输电塔运行情况监视和检查；

当结构整体等效应力最大值f大于等于杆件材料设计强度值的80％、小于100％，且拉弯杆件计算应力最大值f1或压弯杆件计算应力绝对值的最大值f2大于等于材料设计强度值110％时，输电塔运行即为报警状态，应采取有效措施降低铁塔应力；

当结构整体等效应力最大值f大于等于杆件材料设计强度值，输电塔运行为报警状态，应采取有效措施降低铁塔应力；

当输电塔动力学参数显示输电塔出现局部模态时，输电塔运行即为注意状态，加强输电塔运行情况监视和检查；

当输电塔动力学计算结果中，结构整体等效应力最大值f大于等于杆件材料设计强度值90％，且f出现的位置与动力学计算结果中局部模态位置相同时，输电塔运行即为报警状态，应采取有效措施降低铁塔应力或控制局部模态的产生。

本发明的有益效果是：

本申请通过数据分析的方式对输电塔结构进行评价，相比于人工的巡检方式，可以发现不为人察觉的安全隐患，整个评价过程科学严谨，具有良好的技术效果和应用效果，具体分析如下：

首先，采集完整的输电塔背景资料，包括设计建造时间、历年事故事件、铁塔设计资料、加工图纸、导地线型号、档距及前后高差、基础型式、绝缘子型号、所处地质环境等资料，既可以全面了解输电塔的技术参数，便于判断明显的结构问题，另一方面为后续模型的建立提供完整而准确的技术支持。

其次，建立模型从整体考虑，包含输电塔的三维有限元计算模型及导地线有限元模型，形成塔线一体模型，更加符合输电塔的受力形态和构造，从而可以计算出准确的模型参数。

第三，对于静力学参数和动力学参数，进行统筹考虑，利用计算结果，配合自己独创的评价标准，实现对输电塔的评估和对实际情况的分析处理。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为导地线与输电塔耦合形成的线塔耦合模型；

图3为六角型双回路直线塔在最大风、无冰、未断线组合工况(90度风向)作用下输电塔静力学计算得出的输电塔mises等效应力图；

图4为鼓型双回路直线塔在最大风、无冰、未断线组合工况(90度风向)作用下输电塔静力学计算得出的输电塔mises等效应力图；

图5-图8为鼓型双回路直线塔在该工况下拉弯杆件计算应力、压弯杆件计算应力最大值前几位的杆件列表；

图9为干字型单回路转角塔在最大风、无冰、未断线组合工况(90度风向)作用下输电塔静力学计算得出的输电塔mises等效应力图；

图10为羊角型输电塔有限元动力学计算结果。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式，下文的公开提供了具体实施方式用来实现本发明的装置及方法，使本领域的技术人员更清楚地理解如何实现本发明。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。应当理解，尽管本发明描述了其优选的具体实施方案，然而这些只是对实施方案的阐述，而不是限制本发明的范围。

如图1所示，本发明提供了输电塔结构状态评估方法，所述的方法包括以下步骤：

s1：收集输电塔及该线路相关资料，对运行情况初步掌握，并筛选出明显结构问题。

步骤s1中，输电塔及该线路相关资料包括：设计建造时间、历年事故事件、铁塔设计资料、加工图纸、导地线型号、档距及前后高差、基础型式、绝缘子型号、所处地质。特别是塔型结构、运行时间、历年缺陷故障、所处环境四个维度对输电塔运行状态影响较大，塔型结构不同，输电塔受力特点不同，正常运行情况下，直线塔仅承受自身及导地线，耐张塔还要承受导地线张力，转角塔因为线路发生转角，将会收到明显的拉弯力。运行时间关系输电塔腐蚀情况，超过30年的重点关注塔脚地脚螺栓和杆材腐蚀情况。历年缺陷故障可以明确缺陷故障位置，该位置应重点关注。所处地质环境，输电塔受力也不同，重工业环境和沿海地区已收腐蚀影响，在建建筑物周围的铁塔易受地基振动影响，山区还应关注地质影响。

步骤s1中，明显的结构问题包括：构件表面腐蚀厚度超过设计值的5％，构件形变超过设计值的1％，构件缺失、输电塔整体发生位移。

s2：运用ansys软件，建立输电塔的三维有限元计算模型及导地线有限元模型。具体实现过程为：运用ansys软件，输入输电塔塔材横截面、密度、长度、弹性模量、泊松比，建立输电塔的三维有限元计算模型，输入导地线横截面、密度、运行应力、档距、挂点坐标、弹性模量、泊松比，在输电塔上建立导地线有限元模型，从而形成塔线一体模型。

s3：基于输电塔三维有限元模型，计算静力学参数和动力学参数。

计算静力学参数的具体方法为：根据规范gb50545《110～750kv架空输电线路技术规范》中关于概率极限状态设计法的要求，对输电塔结构各构件的强度、刚度及局部稳定性进行计算，计算结果提取出结构位移、整体等效应力、杆件长细比、拉弯杆件计算应力、压弯杆件计算应力。

其中，结构整体等效应力表征结构整体的计算应力大小，作为初步判断输电塔受力情况的依据。拉弯杆件计算应力、压弯杆件计算应力表征输电塔每根杆件的计算应力大小，作为详细判断输电塔杆件受力情况的依据。从静力学计算结果看出，拉弯杆件计算应力、压弯杆件计算应力与结构整体等效应力数值接近，但一般稍大于结构整体等效应力数值。计算工况为大风、覆冰、断线，以及以上工况的组合。

计算动力学参数的具体方法为：ansys软件可以对输电塔有限元模型直接进行模态计算，计算出前30阶模态参数(频率、振型、阻尼比)，主要关注是否出现局部模态的振型。其中，正常结构的低阶(前10阶)振型均是以整体平动、转动为主，高阶(10阶以后)振型可能会激发结构薄弱部位的局部振动，即出现局部模态的振型。

局部振型的出现表明结构局部刚度不足，在不利的静、动力荷载作用下，这些部位的构件会发生很大的变形，并在构件内产生很大的应力，形成整个结构中的薄弱点。

s4：根据静力学参数和动力学参数与其对应标准的差别，选取对应的处理方式。

步骤s4的具体判断过程为：

当f＜0.8f0，或0.8f0≤f＜f0，且f1orf2＜0.95f0，即结构整体等效应力最大值f不超过杆件材料设计强度值f0的80％时，或者，结构整体等效应力最大值f大于等于杆件材料设计强度值的80％、小于100％，且拉弯杆件计算应力最大值f1或压弯杆件计算应力绝对值的最大值f2小于材料设计强度值95％时，可判断输电塔运行安全；

当0.8f0≤f＜f0，且0.95f0≤f1orf2＜1.1f0，即结构整体等效应力最大值f大于等于杆件材料设计强度值的80％、小于100％，且拉弯杆件计算应力最大值f1或压弯杆件计算应力绝对值的最大值f2大于等于材料设计强度值95％但小于材料设计强度值110％时，输电塔运行为注意状态，应加强输电塔运行情况监视和检查；

当0.8f0≤f＜f0，且f1orf2≥1.1f0，即结构整体等效应力最大值f大于等于杆件材料设计强度值的80％、小于100％，且拉弯杆件计算应力最大值f1或压弯杆件计算应力绝对值的最大值f2大于等于材料设计强度值110％时，输电塔运行即为报警状态，应采取有效措施降低铁塔应力；

当f≥f0，即结构整体等效应力最大值f大于等于杆件材料设计强度值，输电塔运行为报警状态，应采取有效措施降低铁塔应力；

当输电塔动力学参数显示输电塔出现局部模态时，输电塔运行即为注意状态，加强输电塔运行情况监视和检查；

当输电塔动力学计算结果中，f≥0.9f0，即结构整体等效应力最大值f大于等于杆件材料设计强度值90％，且f出现的位置与动力学计算结果中局部模态位置相同时，输电塔运行即为报警状态，应采取有效措施降低铁塔应力或控制局部模态的产生。

上述描述为整个技术方案的原理描述，为了更好的说明本技术方案的实施过程，下面结合实际案例进行详细阐述。

根据输电塔、导地线、绝缘串和光缆等结构图纸和特性表，在如ansys等计算机有限元分析软件中，建立导地线与输电塔耦合形成的线塔耦合模型，如图2所示。

图3为六角型双回路直线塔在最大风、无冰、未断线组合工况(90度风向)作用下输电塔静力学计算得出的输电塔mises等效应力图，从图中可以看出输电塔结构整体等效应力最大值f为104mpa，位于塔身中部位置，该处塔材为q235角钢，杆件材料设计强度值f0为215mpa，f＜0.8f0，可判断输电塔运行安全。

图4为鼓型双回路直线塔在最大风、无冰、未断线组合工况(90度风向)作用下输电塔静力学计算得出的输电塔mises等效应力图，从图中可以看出输电塔结构整体等效应力最大值f为308mpa，位于塔身底部塔脚位置，该处塔材为q345角钢，杆件材料设计强度值f0为310mpa，0.8f0≤f＜f0。图5-图8为该塔在该工况下拉弯杆件计算应力、压弯杆件计算应力最大值前几位的杆件列表。仅从图5-图7可以看出，0.95f0≤f1orf2＜1.1f0，但从图8中可以看出，f1orf2≥1.1f0，因此综合判断出，输电塔运行为报警状态，应采取有效措施降低铁塔应力。

图9为干字型单回路转角塔在最大风、无冰、未断线组合工况(90度风向)作用下输电塔静力学计算得出的输电塔mises等效应力图，从图中可以看出输电塔结构整体等效应力最大值f为276mpa，位于塔头地线挂点处，该处塔材为q235角钢，杆件材料设计强度值f0为215mpa，f≥f0，即可判断输电塔运行为报警状态，应采取有效措施降低铁塔应力。

图10为羊角型输电塔有限元动力学计算结果，显示输电塔存在局部一阶振型，但静力学计算显示输电塔结构整体等效应力并不大，可判断出输电塔运行为注意状态，应加强输电塔运行情况监视和检查。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施方式大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。