本发明属于输电线路设计荷载计算方法领域，具体涉及一种角钢输电塔风荷载体型系数计算方法及系统。
背景技术：
：输电线路角钢塔在输电工程中应用广泛，风荷载是角钢输电塔设计中的控制荷载，计算角钢输电塔节段的风荷载体型系数是角钢输电塔抗风设计中的关键问题。角钢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。作为角钢输电塔风荷载计算的关键参数之一，风荷载体型系数一般与构件的形状、塔架的高宽比、周围遮蔽效应以及角钢输电塔节段的填充率有关。现在节段的风荷载体型系数一般按照节段的整体或是节段的迎风面考虑，现行的设计标准(dl/t5154-2012架空输电线路杆塔结构设计技术规定)中规定，角钢输电塔节段的风荷载体型系数取为1.3(1+η)，其中η为塔架背风面降低系数，η可以根据填充系数as/a和b/a查表得到，as为迎风面构件的投影面积，a为塔架的轮廓面积，a为塔架的迎风面宽度，b为塔架迎风面与背风面之间的距离。asce74-2009美国输电线路杆塔结构设计技术规定是按照迎风面的考虑，根据迎风面填充率的不同计算正方形和三角形截面桁架结构的风力系数(风荷载体型系数)。en50341-1：2001欧盟输电线路设计规范是先计算填充率，然后根据填充率和体型系数的关系图计算体型系数。jec127-1979日本输电线路铁塔设计规范中的风荷载体型系数主要是通过风洞试验得到，塔架的体型系数分为了前后面斜材重合截面和不重合截面两类，将填充率代入公式进行计算，横担的体型系数按照塔架体型系数的90％考虑。iec60826:2003输电线路国际标准的风荷载体型系数的计算与欧盟规范相同。通过各国风荷载体型系数计算的公式对比分析发现，规范杆塔风荷载体型系数都是与填充率相关的函数，这种方法是一种整体上的构思，以整段的塔架或塔架的部分作为整体进行考虑，然而对于限制计算精度的影响因素方面的考虑过于单一。由此导致计算精度偏低，且适用性差。技术实现要素：为了解决现有技术的不足，本发明提供一种角钢输电塔风荷载体型系数计算方法及系统，充分地考虑了限制计算精度的影响因素，为准确计算角钢输电塔风荷载提供了参考和依据，应用前景广阔，解决了现行规范计算方法中考虑的影响因子过于单一造成的计算精度低、适用性差的问题。为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：一种角钢输电塔风荷载体型系数计算方法，包括：基于预先构建的角钢输电塔节段足尺风洞试验模型，确定角钢塔架的背风面风荷载降低系数；基于预先建立的角钢构件在各风向角下的体型系数库，获得角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数，并采用法向风夹角调整系数对所述角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数进行修正；根据修正后的角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数和角钢塔架的背风面风荷载降低系数，计算角钢塔架的风荷载体型系数。优选的，所述基于预先构建的角钢输电塔节段足尺风洞试验模型，确定角钢塔架的背风面风荷载降低系数包括：基于预先构建的角钢输电塔节段足尺风洞试验模型，确定角钢塔架的背风面与迎风面风荷载体型系数；根据角钢塔架的背风面与迎风面风荷载体型系数，计算角钢塔架的背风面风荷载降低系数。进一步地，获取所述角钢塔架的背风面与迎风面风荷载体型系数包括：将角钢塔架的迎风面与高频测力天平相连；背风面安装在滑动导轨上，与所述高频测力天平分离；采用高频测力天平分别测出角钢塔架迎风面与背风面的风荷载体型系数；或者，将角钢塔架的背风面与高频测力天平相连；迎风面安装在滑动导轨上移动，与所述高频测力天平分离；采用高频测力天平分别测出角钢塔架迎风面与背风面的风荷载体型系数。优选的，通过下式确定角钢塔架的背风面风荷载降低系数：η＝μb/μf式中，η为角钢塔架的背风面风荷载降低系数，μb、μf分别为角钢塔架的背风面风荷载体型系数和迎风面风荷载体型系数。进一步地，所述基于预先建立的角钢构件在各风向角下的体型系数库，获得角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数包括：根据所述风荷载体型系数库中角钢输电塔节段迎风面角钢构件空间布置情况，采用表格插值法获得角钢构件的风向角以及角钢输电塔节段迎风面单片桁架上的角钢构件风荷载体型系数；根据所述角钢输电塔节段迎风面单片桁架上的角钢构件风荷载体型系数，计算角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数；根据所述角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数，定义法向风夹角调整系数；其中，所述角钢构件包括冷弯角钢和热轧角钢。进一步地，所述角钢构件在各风向角下的体型系数库的建立包括：通过预先构建的角钢输电塔节段足尺风洞试验模型对角钢构件进行风洞试验；或者，对角钢构件进行cfd数值仿真；获取风洞试验结果和cfd数值仿真结果，建立角钢构件在各风向角下的风荷载体型系数库。进一步地，通过下式确定角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数：式中，为角钢输电塔节段迎风面单片桁架加权风荷载体型系数，cdi为角钢输电塔节段迎风面单片桁架上的角钢构件风荷载体型系数，ai为角钢塔架中第i根角钢构件的有效投影面积。进一步地，所述定义法向风夹角调整系数包括：将迎风面单片桁架法向风向与气流方向的夹角定义为法向风夹角β；根据足尺模型风洞试验或cfd数值仿真获得不同法向风夹角β下的迎风面单片桁架风荷载体型系数；定义所述法向风夹角β下的法向风夹角调整系数λ为法向风夹角β下的迎风面单片桁架风荷载体型系数与法向风夹角0°下的迎风面单片桁架风荷载体型系数的比值。优选的，通过下式对所述角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数进行修正：式中，为修正后的角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数，为角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数，λ为法向风夹角调整系数。进一步地，通过下式确定角钢塔架的风荷载体型系数：式中，cdt为角钢塔架的风荷载体型系数，η为角钢塔架的背风面风荷载降低系数，为修正后的角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数。一种角钢输电塔风荷载体型系数计算系统，包括：第一计算模块，用于基于预先构建的角钢输电塔节段足尺风洞试验模型，确定角钢塔架的背风面风荷载降低系数；修正模块，用于基于预先建立的角钢构件在各风向角下的体型系数库，获得角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数，并采用法向风夹角调整系数对所述角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数进行修正；第二计算模块，用于根据修正后的角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数和角钢塔架的背风面风荷载降低系数，计算角钢塔架的风荷载体型系数。与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明提出的一种角钢输电塔风荷载体型系数计算方法及系统，基于预先构建的角钢输电塔节段足尺风洞试验模型，确定角钢塔架的背风面风荷载降低系数；基于预先建立的角钢构件在各风向角下的体型系数库，获得角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数，并采用法向风夹角调整系数对所述角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数进行修正。充分地考虑了限制计算精度的影响因素：复杂结构形式和不规则的杆件布置的影响、气流流向与角钢摆放方向的影响，以及输电角钢塔节段迎风面单片桁架倾斜的影响，应用前景广阔；解决了现行规范计算方法中考虑的影响因子过于单一造成的计算精度低、适用性差的问题。最后根据修正后的角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数和角钢塔架的背风面风荷载降低系数，计算角钢塔架的风荷载体型系数，为更为准确的计算角钢输电塔风荷载提供参考和依据，有效提高了计算角钢输电塔风荷载的精确度。附图说明图1为本发明具体实施方式提供的角钢输电塔风荷载体型系数计算方法流程图；图2为本发明具体实施方式提供的角钢模型；图中：(a)为冷弯角钢，(b)为热轧角钢；图3为本发明具体实施方式提供的风向角示意图；图中：(a)为风向角α的空间位置说明图，(b)为典型风向角示例说明；图4为本发明具体实施方式提供的法向风夹角示意图；图5为本发明具体实施方式提供的典型角钢输电塔塔身节段施工图；图中：①②为塔身主材，③④为塔身斜材，⑤⑥⑦⑧⑨⑩为塔身辅助材。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。本发明针对现行规范角钢输电塔风荷载体型系数计算方法存在三个不足：一是现行规范只考虑填充系数，无法考虑复杂结构形式和不规则的杆件布置的影响，二是无法考虑气流流向与角钢摆放方向的影响，三是无法考虑输电角钢塔节段迎风面单片桁架倾斜的影响。以及，基于上述三个不足导致按照现行规范计算的角钢输电塔风荷载的精确度有待提高的迫切需求，提出一种角钢输电塔风荷载体型系数计算方法。该方法首先依据风洞试验结果给出基于足尺模型风洞试验的角钢塔架背风面风荷载降低系数η的确定方法；依据足尺模型风洞试验或cfd数值仿真确定角钢杆件在不同风向角下的体型系数库；根据角钢输电塔节段迎风面角钢构件空间布置特点，基于角钢构件不同风向角下的体型系数库，给出角钢输电塔节段迎风面体型系数；考虑输电角钢塔节段迎风面单片桁架倾斜的影响，提出了法向风夹角调整系数λ，给出了考虑法向风夹角修正的角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数；最后提出一种基于角钢风荷载体型系数得到角钢输电塔节段的风荷载体型系数计算方法，为更为准确的计算角钢输电塔风荷载提供参考和依据。与传统的角钢输电塔风荷载体型系数计算方法相比，解决了现行规范计算方法无法考虑复杂结构形式和不规则的杆件布置的影响，无法考虑气流流向与角钢摆放方向的影响，无法考虑输电角钢塔节段迎风面单片桁架倾斜的影响的问题，具有更好的适用性。如图1所示，本发明提供的角钢输电塔风荷载体型系数计算方法包括以下步骤：s1基于预先构建的角钢输电塔节段足尺风洞试验模型，确定角钢塔架的背风面风荷载降低系数；s2基于预先建立的角钢构件在各风向角下的体型系数库，获得角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数，并采用法向风夹角调整系数对所述角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数进行修正；s3根据修正后的角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数和角钢塔架的背风面风荷载降低系数，计算角钢塔架的风荷载体型系数。步骤s1中，基于预先构建的角钢输电塔节段足尺风洞试验模型，确定角钢塔架的背风面风荷载降低系数包括：基于预先构建的角钢输电塔节段足尺风洞试验模型，确定角钢塔架的背风面与迎风面风荷载体型系数；根据角钢塔架的背风面与迎风面风荷载体型系数，计算角钢塔架的背风面风荷载降低系数。其中，基于预先构建的角钢输电塔节段足尺风洞试验模型，确定角钢塔架的背风面与迎风面风荷载体型系数包括：根据角钢输电塔结构施工图设计角钢输电塔节段足尺风洞试验模型，将角钢塔架的迎风面与高频测力天平相连；背风面安装在滑动导轨上移动，与高频测力天平分离；采用高频测力天平分别测出角钢塔架迎风面与背风面的风荷载体型系数；或者，将角钢塔架的背风面与高频测力天平相连；迎风面安装在滑动导轨上移动，与所述高频测力天平分离；采用高频测力天平分别测出角钢塔架迎风面与背风面的风荷载体型系数。此外通过下式确定角钢塔架的背风面风荷载降低系数：η＝μb/μf式中，η为角钢塔架的背风面风荷载降低系数，μb、μf分别为角钢塔架的背风面风荷载体型系数和迎风面风荷载体型系数。步骤s2中，角钢构件在不同风向角下的体型系数库的建立包括：通过预先构建的角钢输电塔节段足尺风洞试验模型对角钢构件进行风洞试验；或者，对角钢构件进行cfd数值仿真；获取风洞试验结果和cfd数值仿真结果，建立角钢构件在各风向角下的风荷载体型系数库。例如，选取冷弯角钢(图2(a))和热轧角钢(图2(b))两种角钢建立不同风向角下的体型系数库，图中肢边长度记为b，肢边厚度记为t。气流流向与角钢对称轴夹角定义为风向角α，如图3(a)所示。依据足尺模型风洞试验或cfd数值仿真得到冷弯角钢和热轧角钢在不同风向角下的风荷载体型系数库，风向角范围为0°～180°，每隔10°为1个风向角。除此，还包括45°、135°这2个典型风向角，风荷载体型系数库如表1所示：表1风荷载体型系数角钢构件的风荷载体型系数可以根据表格插值得到。步骤s2，基于角钢构件在不同风向角下的体型系数库，获得角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数和相应的法向风夹角调整系数包括：a,根据风荷载体型系数库中角钢输电塔节段迎风面角钢构件空间布置情况，采用表格插值法获得角钢构件的风向角以及角钢输电塔节段迎风面单片桁架上的角钢构件风荷载体型系数；一般情况下，肢背朝外角钢构件风向角为135°，肢尖朝外角钢构件风向角为45°。b,根据角钢输电塔节段迎风面单片桁架上的角钢构件风荷载体型系数，计算角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数；c,根据角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数定义法向风夹角调整系数。某一塔架中第i根角钢构件的有效投影面积为ai，则下式可以计算得到角钢输电塔节段迎风面单片桁架加权风荷载体型系数式中，为角钢输电塔节段迎风面单片桁架加权风荷载体型系数，cdi为角钢输电塔节段迎风面单片桁架上的角钢构件风荷载体型系数，ai为角钢塔架中第i根角钢构件的有效投影面积。步骤c中，定义法向风夹角调整系数包括：将迎风面单片桁架法向风向与气流方向的夹角定义为法向风夹角β，如图4所示。根据足尺模型风洞试验或cfd数值仿真获得不同法向风夹角β下的迎风面单片桁架风荷载体型系数；定义所述法向风夹角β下的法向风夹角调整系数λ为法向风夹角β下的迎风面单片桁架风荷载体型系数与法向风夹角0°下的迎风面单片桁架风荷载体型系数的比值。输电角钢塔迎风面单片桁架的法向风夹角一般在0～20°以内。结合足尺模型风洞试验或cfd数值仿真结果，0～10°法向风夹角调整系数λ取为0.98，10～20°法向风夹角调整系数λ取为0.96。步骤s2，通过下式修正角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数：式中，为修正后的角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数，为角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数，λ为法向风夹角调整系数。步骤s3通过下式确定角钢塔架的风荷载体型系数：式中，cdt为角钢塔架的风荷载体型系数，η为角钢塔架的背风面风荷载降低系数，为修正后的角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数。实施例应用具体实例介绍采用上述方法进行角钢输电塔风荷载体型系数计算的过程：以某500kv输电线路角钢输电塔为例，如图4：该节段塔身主材、塔身斜材和辅助材的规格分别为l180×14、l100×7和l40×4。①②④⑤⑦⑨角钢构件风向角为135°,③⑥⑧⑩角钢构件风向角为45°首先按照步骤s1方法，根据附图3所示角钢输电塔塔身节段施工图设计角钢输电塔节段足尺风洞试验模型，分别把角钢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，由下式计算得到角钢塔架的背风面风荷载降低系数η。η＝μb/μf＝0.84/1.40＝0.60按照步骤s2-s3的方法，依据足尺模型风洞试验或cfd数值仿真得到冷弯角钢和热轧角钢在不同风向角下的风荷载体型系数库，由数据库得到各个杆件的风荷载体型系数表2各个杆件的风荷载体型系数按照步骤s3方法，各个构件的投影面积如表3所示。表3各个杆件的投影面积杆件号构件的投影面积ai10.520.530.4840.4850.0460.04870.04880.04890.048100.04计算得到角钢输电塔节段迎风面单片桁架加权风荷载体型系数按照步骤s3方法，确定法向风夹角调整系数λ＝0.98。按照步骤s4方法，计算考虑法向风夹角修正的角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数按照步骤s5方法，计算钢管输电塔塔架风荷载体型系数，根据步骤s2和步骤s4，分别得到钢管输电塔背风面风荷载降低系数修正系数η和考虑法向风夹角修正的单片桁架加权风荷载体型系数计算钢管输电塔塔架的风荷载体型系数cdt＝1.753×(1+0.6)＝2.805。基于同一发明构思，本申请还提出一种角钢输电塔风荷载体型系数计算系统，包括：第一计算模块，用于基于预先构建的角钢输电塔节段足尺风洞试验模型，确定角钢塔架的背风面风荷载降低系数；修正模块，用于基于预先建立的角钢构件在各风向角下的体型系数库，获得角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数，并采用法向风夹角调整系数对所述角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数进行修正；第二计算模块，用于根据修正后的角钢输电塔节段迎风面单片桁架风荷载体型系数和角钢塔架的背风面风荷载降低系数，计算角钢塔架的风荷载体型系数。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。当前第1页1 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