一种输电杆塔抗风加固效果评价方法、系统、设备及介质与流程

1.本发明涉及输电杆塔抗风加固技术领域，特别是涉及一种基于外 角加固装置的输电杆塔抗风加固效果评价方法、系统、计算机设备及 存储介质。


背景技术：

2.输电杆塔是重要的能源基础设施，在国内外被广泛应用。输电杆 塔长期在野外使用，遭受风吹日晒，承受着各种强烈荷载作用和恶劣 环境作用，其使用的安全性非常重要。我国南部沿海地区是强台风区， 近年来已经发生了多起输电杆塔的风致倒塌事故，造成了严重的经济 损失和次生灾害。因此，开展输电杆塔的抗风加固工作，提高输电杆 塔应对强风的能力，具有重要的实际意义。
3.目前，国内外针对输电杆塔的风致破坏问题都开展了相关研究， 也提出了一些不同类型的加固装置，如：主材加固装置、斜材加固装 置、横隔材加固装置、动力吸振器、耗能阻尼器等，且因采用加固装 置的方法具有简单实用、造价低廉、环境适应性好等优点而得到了较 广泛的重视。然而，输电杆塔抗风加固装置及其性能评定的工作主要 集中于加固装置机械构造和装置设计开发方面，虽然提出了一些新型 的加固装置的械设计制造方法，但却缺乏相应的抗风加固性能评价方 法和系统，无法对这类装置安装于实际输电杆塔后的实际加固效果进 行合理有效地评价，如外角加固装置作为一种新型加固装置应用于输 电杆塔，而无法对其受力性能进行准确有效的评判，也就无法对其抗 风加固效果进行评判，更不能基于其抗风加固效果评估对输电杆塔的 使用安全性进行有效评估分析，不利于提升输电杆塔应对强风灾害的 运维水平。
4.因此，系统研究安装外角加固装置后输电杆塔的使用安全性能和 风致响应特点，建立一种针对安装外角加固装置的输电杆塔的准确有 效风致响应分析方法，对其抗风加固效果进行合理有效的评估有着重 要意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种输电杆塔抗风加固效果评价方法，通过 建立加固装置加劲肋的力学模型、外角加固装置-主材第一系统的力学 模型，将外角加固装置和输电杆塔体系视为一个完整的第二系统，建 立对应的力学模型，并在此基础上建立加固装置-输电杆塔体系第二系 统的风荷载模型、受力平衡方程和风致响应分析方法，能定量准确地 评定输电杆塔的抗风加固效果和外角加固装置在风荷载作用下的稳定 性。
6.为了实现上述目的，有必要针对上述技术问题，提供了一种输电 杆塔抗风加固效果评价方法、系统、计算机设备及存储介质。
7.第一方面，本发明实施例提供了一种输电杆塔抗风加固效果评价 方法，所述方法包括以下步骤：
8.获取外角加固装置中各个加劲肋单元的节点信息和物理参数；所 述节点信息包括节点坐标和加劲肋几何外形参数；所述物理参数包括 弹性模量、剪切模量和密度；
9.根据各个加劲肋单元的节点信息和物理参数，得到加劲肋单元的 抗弯刚度；所述抗弯刚度包括y轴抗弯刚度、z轴抗弯刚度和惯性积；
10.根据加劲肋单元的抗弯刚度，得到加劲肋的系统矩阵；所述系统 矩阵包括刚度矩阵和质量矩阵；
11.获取外角加固装置中直角加固件的系统矩阵，并根据所述加劲肋 与直角加固件的系统矩阵，得到外角加固装置的系统矩阵；
12.获取第一主材杆件的系统矩阵，并根据所述外角加固装置和第一 主材杆件的系统矩阵，得到第一系统受力模型；所述第一主材杆件包 括多个安装外角加固装置的主材杆件单元；所述第一系统由外角加固 装置和第一主材杆件构成；
13.获取输电杆塔体系的系统矩阵，并根据所述输电杆塔体系的系统 矩阵和所述第一系统受力模型，得到第二系统受力模型；所述第二系 统由第一系统和输电杆塔系统构成；所述输电杆塔体系包括第二主材 杆件、斜材和辅助材；所述第二主材杆件包括多个未安装外角加固装 置的主材杆件单元；
14.建立第二系统风荷载模型，并根据所述第二系统风荷载模型和第 二系统受力模型，对输电杆塔抗风加固效果进行评价。
15.第二方面，本发明实施例提供了一种输电杆塔抗风加固效果评价 系统，所述系统包括：
16.数据获取模块，用于获取外角加固装置中各个加劲肋单元的节点 信息和物理参数；所述节点信息包括节点坐标和加劲肋几何外形参数； 所述物理参数包括弹性模量、剪切模量和密度；
17.第一计算模块，用于根据各个加劲肋单元的节点信息和物理参数， 得到加劲肋单元的抗弯刚度；所述抗弯刚度包括y轴抗弯刚度、z轴抗 弯刚度和惯性积；
18.第二计算模块，用于根据加劲肋单元的抗弯刚度，得到加劲肋的 系统矩阵；所述系统矩阵包括刚度矩阵和质量矩阵；
19.第三计算模块，用于获取外角加固装置中直角加固件的系统矩阵， 并根据所述加劲肋与直角加固件的系统矩阵，得到外角加固装置的系 统矩阵；
20.第一建模模块，用于获取第一主材杆件的系统矩阵，并根据所述 外角加固装置和第一主材杆件的系统矩阵，得到第一系统受力模型； 所述第一主材杆件包括多个安装外角加固装置的主材杆件单元；所述 第一系统由外角加固装置和第一主材杆件构成；
21.第二建模模块，用于获取输电杆塔体系的系统矩阵，并根据所述 输电杆塔体系的系统矩阵和所述第一系统受力模型，得到第二系统受 力模型；所述第二系统由第一系统和输电杆塔系统构成；所述输电杆 塔体系包括第二主材杆件、斜材和辅助材；所述第二主材杆件包括多 个未安装外角加固装置的主材杆件单元；
22.效果评价模块，用于建立第二系统风荷载模型，并根据所述第二 系统风荷载模型和第二系统受力模型，对输电杆塔抗风加固效果进行 评价。
23.第三方面，本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、 处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处 理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
24.第四方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上 存储有计算机程
序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的 步骤。
25.上述本技术提供了一种输电杆塔抗风加固效果评价方法、系统、 计算机设备及存储介质，通过所述方法，实现了获取外角加固装置中 各个加劲肋单元的节点信息和物理参数，根据节点信息和物理参数得 到加劲肋单元的抗弯刚度，再累加得到加劲肋的系统矩阵，并结合获 取的外角加固装置中直角加固件的系统矩阵得到外角加固装置的系统 矩阵，以及根据获取到的第一主材杆件的系统矩阵和外角加固装置的 系统矩阵得到第一系统受力模型，并根据获得的输电杆塔体系的系统 矩阵和第一系统受力模型得到第二系统受力模型，且建立第二系统风 荷载模型结合第二系统受力模型对输电杆塔抗风加固效果和加固装置 稳定性进行评价的技术方案。与现有技术相比，该输电杆塔抗风加固 效果评价方法，通过基于加固装置的几何外形对风荷载的影响、加劲 肋角度对加固装置受风面积和风荷载的影响、以及加固装置遮挡主材 受风面积对杆塔体系风荷载的影响的考虑建立风荷载模型、受力平衡 方程和风致响应分析方法，可定量准确地评定输电杆塔抗风加固效果 及加固装置的稳定性，不仅具有适用范围广、分析精度高等优点，而 且能有效提高输电杆塔抗风加固效果和加固装置稳定性的分析评价水 平，进而提升输电杆塔应对强风灾害的运维水平。
附图说明
26.图1是本发明实施例中输电杆塔抗风加固效果评价方法的应用场 景示意图；
27.图2是本发明实施例中外角加固装置的结构示意图；
28.图3是本发明实施例中输电杆塔抗风加固效果评价方法的流程示 意图；
29.图4是本发明实施例中外角加固装置与主材连接示意图；
30.图5是本发明实施例中安装外角加固装置的输电杆塔结构示意图；
31.图6是本发明实施例中输电杆塔抗风加固效果评价系统的结构示 意图；
32.图7是本发明实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
33.为了使本技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，下面 结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明，显然，以下所描述 的实施例是本发明实施例的一部分，仅用于说明本发明，但不用来限 制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没 有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保 护的范围。
34.本发明提供的一种输电杆塔抗风加固效果评价方法，可以应用于 如图1所示的终端或服务器上。其中，终端可以但不限于是各种个人 计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑和便携式可穿戴设备，服 务器可以用独立的服务器或者是多个服务器组成的服务器集群来实 现。服务器可采用本发明的输电杆塔抗风加固效果评价方法通过采集 图2所示的外角加固装置中各个加劲肋单元的节点信息和物理参数， 并依此建立加固装置加劲肋的力学模型、外角加固装置-主材第一系统 的力学模型，并将外角加固装置和输电杆塔体系视为一个完整的第二 系统建立对应的力学模型，以及在此基础上建立加固装置-输电杆塔体 系第二系统的风荷载模型和受力平衡方程进行风致响应分析和加固装 置稳定性分
析，能定量准确地评定输电杆塔的抗风加固效果和外角加 固装置在风荷载作用下的稳定性，并将最终得到的分析结果发送至终 端供终端使用者进一步分析或指导输电线路抗风防灾运维工作，能有 效提高输电杆塔抗风加固效果和加固装置稳定性的分析评价水平，进 而提升输电杆塔应对强风灾害的运维水平。下述实施例将对本发明的 输电杆塔抗风加固效果评价方法进行详细说明。
35.在一个实施例中，如图3所示，提供了一种输电杆塔抗风加固效 果评价方法，包括以下步骤：
36.s11、获取外角加固装置中各个加劲肋单元的节点信息和物理参 数；所述节点信息包括节点坐标和加劲肋几何外形参数；所述物理参 数包括弹性模量、剪切模量和密度；其中，外角加固装置如图2所示 由加劲肋1和直角加固件2两部分组成。加劲肋截面形状为矩形，且 其宽为b，高为h，质心为c，对应节点信息和物理参数都可采用现有 方法得到，此处不作具体限制。
37.s12、根据各个加劲肋单元的节点信息和物理参数，得到加劲肋单 元的抗弯刚度；所述抗弯刚度包括y轴抗弯刚度、z轴抗弯刚度和惯性 积；其中，加劲肋单元的抗弯刚度是指加劲肋单元绕坐标系ozy的抗 弯刚度，其依次按照绕质心c抗弯刚度、绕外角加固装置中心o抗弯 刚度和绕坐标系ozy的抗弯刚度的顺序计算得到，且计算过程中考虑 了加劲肋角度θ对加固装置受风面积和风荷载的影响。具体地，所述 根据各个加劲肋单元的节点信息和物理参数，得到加劲肋单元的抗弯 刚度的步骤包括：
38.根据节点坐标和加劲肋几何外形参数，得到对应加劲肋单元的第 一抗弯刚度；所述加劲肋单元的第一抗弯刚度为加劲肋单元绕质心的 抗弯刚度；
39.根据所述加劲肋单元的第一抗弯刚度，得到加劲肋单元的第二抗 弯刚度；所述加劲肋单元的第二抗弯刚度为加劲肋单元绕外角加固装 置中心的抗弯刚度；
40.根据所述加劲肋单元的第二抗弯刚度，得到加劲肋单元的抗弯刚 度；所述加劲肋单元的抗弯刚度为加劲肋单元绕坐标系ozy的抗弯刚 度；所述抗弯刚度表示为：
[0041][0042]
式中，
[0043][0044]
其中，o和c分别表示外角加固装置中心和加劲肋单元质心；i
yw
、 i
zw
和i
ywzw
分别表示加劲肋单元在坐标系ozy中的y轴抗弯刚度、z轴 抗弯刚度和惯性积；i
yo
、i
zo
和i
yczc
分别表
示加劲肋单元绕点o的y轴 抗弯刚度、z轴抗弯刚度和惯性积；i
yc
、i
zc
和i
yczc
分别表示加劲肋单 元绕点c的y轴抗弯刚度、z轴抗弯刚度和惯性积；b为加劲肋宽度； h为加劲肋高度；θ表示加劲肋单元与外角加固装置的水平向夹角。
[0045]
s13、根据加劲肋单元的抗弯刚度，得到加劲肋的系统矩阵；所述 系统矩阵包括刚度矩阵和质量矩阵；其中，加劲肋的刚度矩阵和质量 矩阵可理解为分别将所有加劲肋单元的刚度矩阵和质量矩阵组集得 到，且各个加劲肋单元的刚度矩阵和质量矩阵都根据各自的抗弯刚度 计算得到。具体地，所述根据加劲肋单元的抗弯刚度，得到加劲肋的 系统矩阵的步骤包括：
[0046]
根据各个加劲肋单元的抗弯刚度、弹性模量、剪切模量、长度、 密度、横截面积和横截面扭转惯性矩，得到加劲肋单元的系统矩阵； 所述加劲肋单元的系统矩阵表示为：
[0047][0048][0049]
式中，
[0050][0051]aw
＝bh
[0052]
其中，和分别表示加劲肋单元的刚度矩阵和质量矩阵；i
yw
和i
zw
分别表示加
劲肋单元在坐标系ozy中的y轴抗弯刚度和z轴抗弯 刚度；ew、lw、jw、gw、ρw和aw分别表示加劲肋单元的弹性模量、长 度、横截面扭转惯性矩、剪切模量、密度和横截面积；
[0053]
根据各个加劲肋单元的系统矩阵，得到所述加劲肋的系统矩阵； 所述加劲肋的系统矩阵表示为：
[0054][0055]
式中，kw和mw分别表示加劲肋的刚度矩阵和质量矩阵；和分别表示第e个加劲肋单元的刚度矩阵和质量矩阵；nw表示加劲肋单 元的数量。
[0056]
s14、获取外角加固装置中直角加固件的系统矩阵，并根据所述加 劲肋与直角加固件的系统矩阵，得到外角加固装置的系统矩阵；其中， 直角加固件2的系统矩阵同样根据对应的抗弯刚度计算得到，且对应 的抗弯刚度同样可由材料力学基本公式确定。将直角加固件2和加劲 肋1的抗弯刚度组合得到外角加固装置的整体抗弯刚度，以及整体刚 度矩阵和质量矩阵。具体地，所述获取外角加固装置中直角加固件的 系统矩阵，并根据所述加劲肋与直角加固件的系统矩阵，得到外角加 固装置的系统矩阵的步骤包括：
[0057]
根据材料力学公式，得到直角加固件的抗弯刚度；其中，直角加 固件的抗弯刚度包括y轴抗弯刚度i
yr
、z轴抗弯刚度i
zr
和惯性积i
yrzr
， 具体的计算方法参考上述加劲肋单元的计算公式，此处不再赘述。
[0058]
根据所述直角加固件的抗弯刚度，通过有限元方法，得到直角加 固件的系统矩阵；其中，直角加固件的横截面积ar表示为：
[0059]ar
＝b
yhy
+b
zhz
[0060]
式中，by和bz分别表示直角加固件沿y轴和z轴的长度；hy和hz分别表示直角加固件沿y轴和z轴的高度。
[0061]
直角加固件的质量矩阵mr和刚度矩阵kr的计算方法参见加劲肋 单元的计算方法，此处不再详述。
[0062]
通过有限元方法，获取螺栓的质量矩阵，并根据螺栓的质量矩阵， 以及所述加劲肋与直角加固件的系统矩阵，计算得到外角加固装置的 系统矩阵；所述外角加固装置的系统矩阵表示为：
[0063][0064]
式中，ks和ms分别表示外角加固装置的刚度矩阵和质量矩阵； kw和kr分别表示加劲肋的刚度矩阵与直角加固件的刚度矩阵；mr、 mw和mb分别表示直角加固件的质量矩阵、加劲肋的质量矩阵，以及 螺栓的质量矩阵。其中，外角加固装置上有大量螺栓，如图4所示， 螺栓5对外角加固装置1本身只产生质量效应而不产生刚度效应，因 此，为了保证外角加固装置系统矩阵的准确性，在计算外角加固装置 的质量矩阵时，在加劲肋1和直角加固件2外，还考虑了螺栓5的质 量矩阵，且选用由有限元方法确定的集中质量矩阵。
[0065]
s15、获取第一主材杆件的系统矩阵，并根据所述外角加固装置和 第一主材杆件
的系统矩阵，得到第一系统受力模型；所述第一主材杆 件包括多个安装外角加固装置的主材杆件单元；所述第一系统由外角 加固装置和第一主材杆件构成；其中，外角加固装置与输电杆塔周边 四根第一主材杆件3相连，两者共同承受外荷载作用，即将外角加固 装置与第一主材杆件3构成了第一系统(一个外角加固装置-主材杆件 局部联合受力系统)，建立对应的受力模型。具体地，所述获取第一主 材杆件的系统矩阵，并根据所述外角加固装置和第一主材杆件的系统 矩阵，得到第一系统受力模型的步骤包括：
[0066]
通过有限元方法，得到第一主材杆件单元的系统矩阵；
[0067]
根据所述第一主材杆件单元的系统矩阵，得到第一主材杆件的系 统矩阵；所述第一主材杆件的系统矩阵表示为：
[0068][0069]
式中，k
m,w
和m
m,w
分别表示第一主材杆件的刚度矩阵和质量矩阵； 和分别表示第一主材杆件单元的刚度矩阵和质量矩阵；nw为 第一主材杆件单元数量；其中，和分别根据有限元中梁单元的 刚度矩阵公式和质量矩阵公式确定。
[0070]
根据所述第一主材杆件和外角加固装置的系统矩阵，得到所述第 一系统受力模型；所述第一系统受力模型表示为：
[0071][0072]
式中，k
sm
和m
sm
分别表示第一系统的刚度矩阵和质量矩阵；ks和ms分别表示外角加固装置的刚度矩阵和质量矩阵；k
m,w
和m
m,w
分别 表示第一主材杆件的刚度矩阵和质量矩阵；kw和mw分别表示加劲肋 的刚度矩阵和质量矩阵；kr和mr分别表示直角加固件的刚度矩阵和质 量矩阵；mb表示螺栓的质量矩阵。
[0073]
s16、获取输电杆塔体系的系统矩阵，并根据所述输电杆塔体系的 系统矩阵和所述第一系统受力模型，得到第二系统受力模型；所述第 二系统由第一系统和输电杆塔系统构成；所述输电杆塔体系包括第二 主材杆件、斜材和辅助材；所述第二主材杆件包括多个未安装外角加 固装置的主材杆件单元；其中，第一系统受力模型按照上述步骤建立 后，可以考虑输电杆塔体系中的其它主材、斜材和辅材，如图4中的 加固装置内部加固夹具4等，由此建立第二系统(加固装置-杆塔整个 体系)的受力模型，为后续对整个体系抗风承载力分析研究奠定基础。 具体地，所述获取输电杆塔体系的系统矩阵，并根据所述输电杆塔体 系的系统矩阵和所述第一系统受力模型，得到第二系统受力模型的步 骤包括：
[0074]
通过有限元方法，分别得到所述第二主材杆件、斜材和辅助材的 系统矩阵；其中，第二主材杆件、斜材和辅材的刚度矩阵、质量矩阵 与第一主材杆件一样，均可采用有限元中空间梁单元公式确定，对应 的质量矩阵可采用集中质量矩阵；
[0075]
根据所述第二主材杆件、斜材和辅助材的系统矩阵，得到输电杆 塔体系的系统矩阵；所述输电杆塔体系的系统矩阵表示为：
[0076][0077]
式中，k
t
和m
t
分别表示输电杆塔体系的刚度矩阵和质量矩阵；和分别表示第二主材杆件单元的刚度矩阵和质量矩阵；和分 别表示斜材单元的刚度矩阵和质量矩阵；和分别表示辅材单元 的刚度矩阵和质量矩阵；nm、nc和nf分别表示为第二主材杆件单元数 量、斜材单元数量和辅材单元数量；
[0078]
根据所述输电杆塔体系的系统矩阵和所述第一系统受力模型，得 到所述第二系统受力模型；所述第二系统受力模型表示为：
[0079][0080]
式中，k和m分别表示第二系统的刚度矩阵和质量矩阵；k
t
和 m
t
分别表示输电杆塔体系的刚度矩阵和质量矩阵；k
sm
和m
sm
分别表 示第一系统的刚度矩阵和质量矩阵；k
m,w
和m
m,w
分别表示第一主材杆件 的刚度矩阵和质量矩阵；kw和mw分别表示加劲肋的刚度矩阵和质量 矩阵；kr和mr分别表示直角加固件的刚度矩阵和质量矩阵；mb表示 螺栓的质量矩阵。
[0081]
s17、建立第二系统风荷载模型，并根据所述第二系统风荷载模型 和第二系统受力模型，对输电杆塔抗风加固效果进行评价。其中，第 二系统风荷载模型由两部分组成，包括外角加固装置的风荷载和输电 杆塔体系的风荷载，且外角加固装置的风荷载由加劲肋风荷载和直角 加固件风荷载两部分组成。建立第二系统风荷载模型后，构建第二系 统在自重和风荷载作用下的受力平衡方程，并基于此对加固装置-杆塔 体系进行风致响应分析评价，以及对加固装置进行稳定性评价。具体 地，所述建立第二系统风荷载模型，并根据所述第二系统风荷载模型 和第二系统受力模型，对输电杆塔抗风加固效果进行评价的步骤包括：
[0082]
分别计算外角加固装置风荷载和输电杆塔体系风荷载；
[0083]
根据所述外角加固装置风荷载和输电杆塔体系风荷载，建立所述 第二系统风荷载模型；所述第二系统风荷载模型表示为：
[0084][0085]
式中，
[0086][0087][0088]
其中，fw、fs、f
t
和f0分别表示第二系统、外角加固装置和输电 杆塔体系和主材被
遮挡部分的风荷载；a0为主材被遮挡部分的受风面 积向量；a
0y
为主材被遮挡部分沿坐标轴y向的受风面积向量；a
0z
为 主材被遮挡部分沿坐标轴z向的受风面积向量；w0、μr、μf、μs和μz分 别表示输电杆塔所在地区的基本风压、重现期调整系数、脉动风压系 数、风载体型系数和风压高度变化系数；as和a
t
分别表示外角加固装 置和输电杆塔体系的受风面积向量；a
ty
和a
tz
分别表示输电杆塔体系 沿坐标轴y方向和沿坐标轴z方向的受风面积向量；a
my
、a
cy
和a
fy
分别表示主材、斜材和辅材沿坐标轴y方向的受风面积向量；a
mz
、a
cz
和a
fz
分别为主材、斜材和辅材沿坐标轴z方向的受风面积向量；a
sy
和a
sz
分别表示加固装置沿坐标轴y方向和z方向的受风面积；lw和b 分别表示加劲肋长度和宽度；θ表示加劲肋单元与外角加固装置的水平 向夹角；
[0089]
根据第二系统风荷载模型，建立第二系统受力平衡方程；所述第 二系统受力平衡方程表示为：
[0090]
kx＝(k
t
+k
sm
)x＝f
tg
+f
sg
+fw[0091]
式中，
[0092][0093]
其中，x表示第二系统风致位移响应；f
tg
、m
t
和k
t
分别表示输 电杆塔体系的自重荷载、质量矩阵和刚度矩阵；f
sg
和m
sm
分别表示外 角加固装置的自重荷载和质量矩阵；fw表示第二系统风荷载向量；k 和k
sm
分别表示第二系统和第一系统的刚度矩阵；g表示重力加速度向 量；
[0094]
采用newton-raphson法和增量法，求解所述第二系统受力平衡方 程，得到第二系统风致位移响应；其中，第二系统受力平衡方程求解 时考虑到强风作用下输电杆塔将发生显著变形甚至倒塌，表现出了较 为明显的几何非线性特点，其响应须采用非线性迭代方法计算。因此， 本实施例采用newton-raphson法和增量法相结合的方式求解第二系统 (加固装置-杆塔系统)的受力平衡方程，且迭代过程采用位移收敛准 则，第i+1次的风致位移向量可表示为：
[0095]
x
(i+1)
＝x(i)+δx
[0096]
式中，x(i)和x
(i+1)
分别表示第二系统第i次和i+1次的风致位移向量； δx为风致位移增量。根据求解所得新平衡形态下的整个系统位移，可 以重新形成系统的不平衡力向量。重复以上步骤直至所得系统位移差 范数满足设定的收敛容差，则非线性迭代求解过程结束：
[0097]
||x
(i+1)-x(i)||2≤ε
[0098]
式中，ε为预先设定的大于零的位移收敛容差，可设置为0.01。统一 求解上述多个迭代过程，经过多次迭代后各个方程均达到收敛条件， 则分析计算结束，即可确定加固装置-杆塔系统在强风和自重作用下的 承载力。
[0099]
根据所述第二系统风致位移响应，得到外角加固装置位移响应； 所述外角加固装置位移响应表示为：
[0100][0101]
式中，
[0102][0103]
其中，x和分别表示第二系统风致位移响应和外角加固装置位移 响应；tc表示坐标转换矩阵，可依据有限元方法确定；u1、v1和w1分 别表示外角加固装置第一节点沿x、y和z三轴方向的平动位移；θ
x1
、 θ
y1
和θ
z1
分别表示外角加固装置第一节点沿x、y和z三轴方向的转 动位移；u2、v2和w2分别表示外角加固装置第二节点沿x、y和z三轴 方向的平动位移；θ
x2
,θ
y2
和θ
z2
分别表示外角加固装置第二节点沿x、 y和z三轴方向的转动位移；
[0104]
根据所述外角加固装置位移响应，得到外角加固装置内力向量； 所述外角加固装置内力向量表示为：
[0105][0106]
式中，
[0107][0108]
其中，和ks分别表示外角加固装置的内力向量和刚度矩阵；n 为加固装置单元的轴力；sy和sz分别表示外角加固装置沿两个正交方 向的剪力；m
x
和my分别表示外角加固装置沿两个正交方向的弯矩；t 表示外角加固装置的扭矩；
[0109]
根据所述外角加固装置内力向量，分别判断所述外角加固装置是 否同时满足y轴方向稳定条件和z轴方向稳定条件；所述y轴方向稳 定条件表示为：
[0110][0111]
式中，
[0112][0113][0114]as
＝bh+b
yhy
+b
zhz
[0115]
其中，表示沿y轴的轴心受压稳定系数；表示沿z轴的受弯 构件整体稳定性系数；n表示作用于外角加固装置的轴向力；my和mz分别表示沿y轴和沿z轴的弯矩；n'
ey
表示外角加固装置沿y轴的等效 欧拉临界力；wy和wz分别表沿y轴和z轴的截面模量；β
tz
和β
my
分别表 示沿z轴和沿y轴的平面外稳定计算等效弯矩系数；γy表示与截面模 量相应的沿y轴的截面塑性发展系数；η表示外角加固装置截面影响系 数；f表示外角加固装置屈服应力；λy表示外角加固装置绕y轴的长 细比；l
0y
表示外角加固装置失稳时绕y轴的计算长度；i
ys
表示外角加 固装置的y轴抗弯刚度；by和bz分别表示直角加固件沿y轴和z轴的 长度；hy和hz分别表示直角加固件沿y轴和z轴的长度；as和a分别 表示外角加固装置的横截面积和毛截面面积；
[0116]
所述z轴方向稳定条件表示为：
[0117][0118]
式中，
[0119][0120][0121]as
＝bh+b
yhy
+b
zhz
[0122]
其中，表示沿z轴的轴心受压稳定系数；表示沿y轴的受弯 构件整体稳定性系数；n表示作用于外角加固装置的轴向力；my和mz分别表示沿y轴和沿z轴的弯矩；n'
ez
表示外角加固装置沿z轴的等效 欧拉临界力；wy和wz分别表沿y轴和z轴的截面模量；β
mz
和β
ty
分别表 示沿z轴和沿y轴的平面外稳定计算等效弯矩系数；γz表示与截面模 量相应的沿z轴的截面塑性发展系数；η表示外角加固装置截面影响系 数；f表示外角加固装置屈服应力；λz表示外角加固装置绕z轴的长细 比；l
0z
表示外角加固装置失稳时绕z轴的计算长度；i
zs
表示外角加固 装置的z轴抗弯刚度；by和bz分别表示直角加固件沿y轴和z轴的长 度；hy和hz分别表示直角加固件沿y轴和z轴的长度；as和a分别表 示外角加固装置的横截面积和毛截面面积。
[0123]
本技术实施例基于加固装置的几何外形对风荷载的影响、加劲肋 角度对加固装置受风面积和风荷载的影响、以及加固装置遮挡主材受 风面积对杆塔体系风荷载的影响的考虑，依次建立加劲肋的力学模型、 外角加固装置-主材的力学模型、以及外角加固装置-输电杆塔体系的力 学模型和对应的风荷载模型、受力平衡方程、风致响应分析方法、稳 定性评判方法，可定量准确地评定输电杆塔抗风加固效果及加固装置 的稳定性，不仅具有适用范围广、分析精度高等优点，而且能有效提 高输电杆塔抗风加固效果和加固装置稳定性的分析评价水平，进而提 升输电杆塔应对强风灾害的运维水平。
[0124]
为了进一步验证本发明输电杆塔抗风加固效果评价方法的实际应 用效果，下面以图5所示的某安装外角加固装置的输电杆塔为对象展开 分析。某输电杆塔塔高为40m，共5个节点层，斜杆选用q235钢材，其 屈服应力为235mpa，主材选用q345钢材，其屈服应力为345mpa。钢 材弹性模量为2.01
×
1011n/m2，密度为7800kg/m3。图6给出了输电杆 塔分段示意图。全塔自上而下分为5段：塔头、3段塔身和塔腿。塔身 部分各段主材杆件编号如表1所示。
[0125]
表1塔身部分各段主材杆件编号
[0126]
模型分段号主材杆件编号2875～90631～32433～64565～92
[0127]
通过上述s11-s17方法可确定加固装置和输电杆塔体系风致响应 并评价抗风加
固效果，及分析评定风荷载作用下加固装置的受力稳定 性，并得到如表2-5所示的分析结果。
[0128]
表2典型主材杆件加固效果对比
[0129]
杆件编号杆件规格(长mm
×
厚mm)加固前应力(mpa)加固后应力(mpa)应力变化率74125
×
10.0181.0282.48-54.43％88125
×
8.0211.6877.76-63.26％43110
×
8.0195.3271.21-63.54％60110
×
8.0218.4479.8-63.46％12100
×
8.0167.7761.77-63.18％28100
×
8.0191.769.86-63.55％87890
×
7.0129.6298.97-23.64％89090
×
7.0151.43113.97-24.73％89890
×
7.0169.48125.98-25.66％90690
×
7.0186.77137.87-26.18％
[0130]
表3典型斜材杆件加固效果对比
[0131]
杆件编号杆件规格(长mm
×
厚mm)加固前应力(mpa)加固后应力(mpa)应力变化率72163
×
5.092.472.41-21.63％59056
×
5.062.8846.41-26.19％55556
×
5.059.542.84-28.01％52756
×
5.054.738.32-29.94％49156
×
5.049.6233.54-32.40％47556
×
5.056.8638.45-32.37％44856
×
5.037.2124.76-33.45％44456
×
5.042.6829.34-31.25％44056
×
5.042.7928.48-33.44％43656
×
5.049.6234.11-31.25％
[0132]
表4典型横隔材杆件加固效果对比
[0133][0134][0135]
表5典型塔头杆件加固效果对比
[0136]
杆件编号杆件规格(长mm
×
厚mm)加固前应力(mpa)加固后应力(mpa)应力变化率82480
×
6.074.3754.21-27.10％84080
×
6.0101.6581.08-20.23％80675
×
5.080.8362.61-22.54％76275
×
5.011.0110.66-3.178％77475
×
5.052.3139.11-25.23％70263
×
5.098.8173.42-25.69％
67863
×
5.073.5357.11-22.33％41156
×
5.07.376.83-7.327％63856
×
5.043.2330.82-28.70％17840
×
3.02.82.5-10.71％91090
×
7.02.342.24-4.273％
[0137]
如表2数据可知，安装外角加固装置可以有效的减少主材杆件的应 力，所有主材杆件的应力都得到了减小，减小程度有一定差别，应力 减幅最高可达60％以上，最少也有20％以上。表3-4给出的对比结果可 知，安装了加固装置后，斜材、横隔材和塔头杆件的应力也得到了有 效地减少，但抗风加固效果没有主材杆件显著。
[0138]
综合上述抗风加固效果可知：(1)安装外角加固装置可以有效提 高输电杆塔的承载力，提高杆塔的抗风能力；(2)安装外角加固装置， 对输电杆塔中的各类杆件均能降低其风致内力；加固装置对主材杆件 的加固效果要明显优于其他杆件，其主要原因是加固装置是安装于主 材杆件上；(3)本发明提出的外角加固装置对输电塔抗风加固效果的 评价方法和系统能准确考虑加劲肋的角度问题，能建立加固装置的随 风向变化的受风面积模型和风荷载模型，极大地提高了风荷载模型的 准确性，显著提高分析精度；(4)通过加固前后输电杆塔的杆件应力 可以发现，本发明提出的外角加固装置对输电塔抗风加固效果的评价 方法具有概念清晰、分析计算准确的优点；(5)该分析方法和系统具 有适用性，适用于各种类型、不同高度和不同物理参数的输电杆塔的 抗风加固效果分析计算。
[0139]
需要说明的是，虽然上述流程图中的各个步骤按照箭头的指示依 次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除 非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这 些步骤可以以其它的顺序执行。
[0140]
在一个实施例中，如图6所示，提供了一种输电杆塔抗风加固效 果评价系统，所述系统包括：
[0141]
数据获取模块1，用于获取外角加固装置中各个加劲肋单元的节点 信息和物理参数；所述节点信息包括节点坐标和加劲肋几何外形参数； 所述物理参数包括弹性模量、剪切模量和密度；
[0142]
第一计算模块2，用于根据各个加劲肋单元的节点信息和物理参 数，得到加劲肋单元的抗弯刚度；所述抗弯刚度包括y轴抗弯刚度、z 轴抗弯刚度和惯性积；
[0143]
第二计算模块3，用于根据加劲肋单元的抗弯刚度，得到加劲肋的 系统矩阵；所述系统矩阵包括刚度矩阵和质量矩阵；
[0144]
第三计算模块4，用于获取外角加固装置中直角加固件的系统矩 阵，并根据所述加劲肋与直角加固件的系统矩阵，得到外角加固装置 的系统矩阵；
[0145]
第一建模模块5，用于获取第一主材杆件的系统矩阵，并根据所述 外角加固装置和第一主材杆件的系统矩阵，得到第一系统受力模型； 所述第一主材杆件包括多个安装外角加固装置的主材杆件单元；所述 第一系统由外角加固装置和第一主材杆件构成；
[0146]
第二建模模块6，用于获取输电杆塔体系的系统矩阵，并根据所述 输电杆塔体系的系统矩阵和所述第一系统受力模型，得到第二系统受 力模型；所述第二系统由第一系统和输电杆塔系统构成；所述输电杆 塔体系包括第二主材杆件、斜材和辅助材；所述第二主材杆件包括多 个未安装外角加固装置的主材杆件单元；
[0147]
效果评价模块7，用于建立第二系统风荷载模型，并根据所述第二 系统风荷载模型和第二系统受力模型，对输电杆塔抗风加固效果进行 评价。
[0148]
需要说明的是，关于输电杆塔抗风加固效果评价系统的具体限定 可以参见上文中对于输电杆塔抗风加固效果评价方法的限定，在此不 再赘述。上述输电杆塔抗风加固效果评价系统中的各个模块可全部或 部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌 于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算 机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操 作。
[0149]
图7示出一个实施例中计算机设备的内部结构图，该计算机设备 具体可以是终端或服务器。如图7所示，该计算机设备包括通过系统 总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示器和输入装置。其中， 该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存 储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有 操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系 统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外 部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一 种输电杆塔抗风加固效果评价方法。该计算机设备的显示屏可以是液 晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示 屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球 或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
[0150]
本领域普通技术人员可以理解，图7中示出的结构，仅仅是与本 申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本技术方案所应用于其 上的计算机设备的限定，具体的计算设备可以包括比途中所示更多或 更少的部件，或者组合某些部件，或者具有同的部件布置。
[0151]
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器 及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计 算机程序时实现上述方法的步骤。
[0152]
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有 计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
[0153]
综上，本发明实施例提供的一种输电杆塔抗风加固效果评价方法、 系统、计算机设备及存储介质，其输电杆塔抗风加固效果评价方法实 现了通过获取外角加固装置中各个加劲肋单元的节点信息和物理参 数，根据节点信息和物理参数得到加劲肋单元的抗弯刚度，再累加得 到加劲肋的系统矩阵，并结合获取的外角加固装置中直角加固件的系 统矩阵得到外角加固装置的系统矩阵，以及根据获取到的第一主材杆 件的系统矩阵和外角加固装置的系统矩阵得到第一系统受力模型，并 根据获得的输电杆塔体系的系统矩阵和第一系统受力模型得到第二系 统受力模型，且建立第二系统风荷载模型结合第二系统受力模型对输 电杆塔抗风加固效果进行评价的技术方案，通过基于加固装置的几何 外形对风荷载的影响、加劲肋角度对加固装置受风面积和风荷载的影 响、以及加固装置遮挡主材受风面积对杆塔体系风荷载的影响的考虑 建立风荷载模型、受力平衡方程和风致响应分析方法，可定量准确地 评定输电杆塔抗风加固效果及加固装置的稳定性，不仅具有适用范围 广、分析精度高等优点，而且能有效提高输电杆塔抗风加固效果和加 固装置稳定性的分析评价水平，进而提升输电杆塔应对强风灾害的运 维水平。
[0154]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例直 接相同或相似
的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其 他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似 于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部 分说明即可。需要说明的是，上述实施例的各技术特征可以进行任意 的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能 的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都 应当认为是本说明书记载的范围。
[0155]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种优选实施方式，其描述较 为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当 指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技 术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应 视为本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所述权利 要求的保护范围为准。