一种铁塔倒塌危险程度等级评价方法与流程

本发明属于铁塔倒塌危险程度评价领域，涉及一种铁塔倒塌危险程度表征量的计算方法以及铁塔倒塌危险程度等级评价方法。

背景技术：

输电线路处在开放的环境中，随着经济的快速增长，电力、通信行业的输电线路覆盖面不断扩大，给电力系统带来了更大的负担，由于雷击、暴风雪、冰冻等自然灾害，以及煤矿采空区塌陷、工程不良施工等原因，会造成输电、通信线路铁塔发生倾斜的情况，导致电网、通信网络中断等事故的发生，从而影响了国家经济、农业生产和人民的生活。

当铁塔出现倾斜时，必然导致其存在倒塌的危险，然而，目前对于铁塔的所处的状态与其危险程度尚且没有一种明确的评价体系，因此会导致两种状况，一种是处于危险状态的铁塔不能得到及时的修复，从而使用户的用电不能得到保障，另一种是对尚且处于安全的铁塔进行修复，这将带来人力与财力上的浪费，因此，给出一种铁塔倒塌危险程度等级评价体系有着重要的意义。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种铁塔倒塌危险程度等级评价方法。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种铁塔倒塌危险程度等级评价方法，包括以下步骤：

①检测铁塔倾斜角度，根据倾斜角度计算铁塔所受的合力矩；

②根据铁塔倒塌的危险程度与所受的合力矩的关系拟合得到铁塔倒塌危险程度的函数方程；

③对上述函数方程按照铁塔所受的合力矩进行分段，通过分段以铁塔所受合力矩作为铁塔倒塌危险程度的表征量对铁塔倒塌危险程度进行分级。

所述铁塔倾斜角度采用倾角传感器进行检测，所述倾斜角度是指铁塔中心线与竖直方向的夹角，所述铁塔中心线连接铁塔塔底中心与塔顶。

所述合力矩为架设于铁塔间的电线对铁塔的约束力和铁塔自身的重力对铁塔的合力矩。

所述铁塔倒塌的危险程度与铁塔所受的合力矩之间的关系符合正切曲线。

所述铁塔倒塌危险程度的函数方程表示为：

其中，M_max为铁塔所能承受的最大力矩，M_合表示铁塔所受的合力矩。

所述铁塔倒塌的危险程度划分为安全、隐患、危险以及倒塌4档。

所述4档对应的铁塔所受合力矩分别为以及≥M_max，其中，M_max为铁塔所能承受的最大力矩，铁塔所受的合力矩与铁塔倒塌的危险程度正相关。

通过将安全、隐患、危险3档中铁塔所受合力矩对应细分为n₁、n₂、n₃段，从而将铁塔倒塌的危险程度划分为n个等级，n＝n₁+n₂+n₃+1。

上述铁塔倒塌危险程度等级评价方法在调整铁塔倾斜程度中的应用。

本发明的有益效果体现在：

本发明以铁塔受到的合力矩作为铁塔倒塌危险程度的表征量，通过对铁塔倒塌规律进行函数拟合，得到表征铁塔倒塌危险程度的函数，并对表征量进行区间划分，从而实现在铁塔处于未倾斜的正常状态和倒塌状态之间进行铁塔倒塌危险程度的等级划分，从而更加直观地描述当前铁塔倒塌的危险程度，为铁塔的安全维护提供了有效的评价方法，有利于节约人力、财力，并提高铁塔的安全性和保障用电。

附图说明

图1是铁塔处于正常状态(a)和铁塔处于倾斜状态(b)的示意图；

图2是本发明的流程图；

图3是倾角传感器的摆放位置示意图；其中，h表示铁塔高度，*表示倾角传感器位置；

图4是求取铁塔所受合力矩的流程图；

图5是给出的铁塔受力的范例图；

图6是铁塔倒塌的危险程度与铁塔所受合力矩的正切关系图；

图7是铁塔倒塌危险程度四个档次的划分图；

图8是铁塔逐步调整流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明提出了铁塔倒塌危险程度表征量以及其计算方法并根据表征量给出铁塔倒塌危险程度评价方法，在已知铁塔倾斜角度的基础上，计算其所受的合力矩，并将其所受合力矩作为倒塌危险程度的表征量，进而得到其倒塌危险函数方程，最后根据危险程度方程将其危险程度划分为10个等级，从而可以更加明确的了解铁塔所处状态倒塌的危险程度。本发明主要步骤如图2所示，以下对各个步骤进行详细说明。

一、铁塔待测点即倾角传感器在铁塔中的摆放位置的确定

为了提高检测的精度，考虑将倾角传感器放置在铁塔相对较高一点的位置，此外考虑到铁塔顶端容易受风力等因素影响产生弯曲，因此建议放置在铁塔的2/3高度处，如图3所示。

二、铁塔倒塌危险程度的表征量及其计算方法的确定

因为铁塔倒塌的主要原因是由铁塔受到的力矩导致的，而铁塔受到的力主要有电线的约束力以及自身的重力，因此铁塔倒塌的危险程度可以用电线的约束力和铁塔自身的重力对铁塔的合力矩来作为表征量。

表征量的求取步骤如图4所示，下面以一个例子来说明铁塔所受到的力矩即铁塔倒塌危险程度表征量的求取过程，由于倾斜的铁塔(图1b)与尚未发生倾斜的铁塔(图1a)所受到的力矩的求取过程稍有不同，因此以下分开进行讨论。

1、未发生倾斜的铁塔所受的合力矩的求取过程

如图5所示，在尚未发生倾斜的铁塔的三维简图中，以塔底的中心O为原点，建立如图所示空间直角坐标系OXYZ(X、Y轴位于塔底所在水平面，Z轴垂直于塔底所在水平面，O点以及塔顶位于Z轴上)，铁塔受到F₁、F₂、F₃、F₄四个作用力(指电线的作用力)，作用点位于塔顶，F₁、F₃的方向分别沿着X轴负方向、正方向，F₂与X轴、Y轴、Z轴的夹角分别为α₁、β₁、γ₁，F₄与X轴、Y轴、Z轴的夹角分别为α₂、β₂、γ₂。

(1)将铁塔受到电线的每个约束力都分解成沿三个坐标轴X、Y、Z的分力的矢量：

F₁、F₃的分解结果为：

F_1x＝F₁,F_1y＝F_1z＝0

F_3x＝F₃,F_3y＝F_3z＝0

(2)将上一步得到的所有电线约束力的分力按坐标轴方向分别求和，求得所有电线对铁塔在三个坐标轴(X、Y及Z轴)方向的约束力：

(3)根据力矩公式M＝F×L(L表示力臂，F表示作用力)求得所有电线对铁塔在三个坐标轴方向上的合力矩：

其中，h表示铁塔高度，由于铁塔在未产生倾斜时在Z方向上重力力臂为0，即电线约束力以及铁塔重力在Z轴合力矩恒为0。

(4)对三个坐标轴方向上的合力矩做矢量和，求得铁塔所受到的合力矩：

2、倾斜的铁塔所受的合力矩的求取过程

铁塔倾斜时，上述水平面(XOY)与铁塔一起发生相同角度的倾斜。

当铁塔倾斜角为δ(连接O点与铁塔顶点的中心线与XOY平面的夹角)并且记铁塔的重心到铁塔底部所在水平面的距离为h_重，则F₁、F₂、F₃、F₄的分力在三个坐标轴上的合力不变，仅力臂发生变化，同时考虑重力及其力臂，因此三个坐标轴方向的合力矩分别为：

M_x＝F_x×h×sinδ＝(F₃+F₄×cosα₂-F₂×cosα₁-F₁)×h×sinδ

M_y＝F_y×h×sinδ＝(F₂×cosβ₁+F₄×cosβ₂)×h×sinδ

M_z＝F_z×h×cosδ+G×h_重×cosδ

(6)

其中G表示铁塔自身的重力。

由上面结果可得铁塔所受的合力矩为：

由于铁塔在受到的合力矩较小时是不具有倒塌的危险的，因此在一定范围的合力矩内，铁塔是安全的，随着铁塔受到合力矩的增大，铁塔倒塌的危险程度将有一个过渡阶段，铁塔在该阶段存在倒塌的隐患，过了过渡阶段之后，铁塔倒塌的可能性就大幅提升，因此从安全区经过过渡区到危险区，最后当铁塔倾斜到一定程度时铁塔倒塌。即铁塔倒塌的危险程度与铁塔受到的力矩之间的关系应该符合一个正切曲线。因此假设铁塔所能承受的最大力矩为M_max，则铁塔在受到力矩为0时，危险程度为0，铁塔在受到力矩达到M_max时危险程度为(即铁塔将发生倾塌)。因此得到危险程度函数为其函数图像如图6所示。

三、铁塔倒塌危险程度的评价

铁塔倒塌的危险程度采用安全等级法进行评价，其步骤如下：

1、将铁塔倒塌的危险程度划分为4个档，从铁塔倒塌危险程度函数图像可以看出：M_合在之前，即曲线斜率相对比较平缓，即铁塔倒塌的危险程度自0增大较慢，因此划分为安全区；M_合在到之间，即铁塔倒塌的危险程度增大速度适中，而在之后，铁塔倒塌的危险程度迅速增大，有明显的过渡，因此将到划分为过渡区(或称隐患区)，到M_max之间划分为危险区(具体为)，当≥M_max时铁塔将发生倒塌，因此划分为倒塌区(参见图7)。

2、为了更加详细的说明铁塔所处状态的倒塌危险程度，在这里进一步将以上划分的四档分区细分为10个等级，如表1所示。

表1.铁塔倒塌危险程度4档10个等级划分的范围

四、铁塔的调平

调平时先通过倾角传感器检测出倾斜的方向及角度(角度是指δ)，依据逐步修正的原则，计算出从当前等级调整到紧邻的优化等级时各个塔脚所需要顶升的高度，然后通过调平设备(例如，千斤顶)来实现，从而逐步达到合格的等级(例如，达到安全区)，如图8所示。