一种抗台风倒塌输电塔杆件局部补强设计方法及系统与流程

1.本发明涉及输电杆塔应用技术领域，具体是涉及一种抗台风倒塌输电塔杆件局部补强设计方法及系统。


背景技术：

2.目前，我国输电杆塔的设计规范主要考虑当地良态风作用下以重现期风速为设计基准，但是对于台风多发地区的输电杆塔设计规范缺少考虑抗台风防倒塌的加强方式。根据国际电工委员会所制定的规范，需要考虑输电杆塔在常态下由于不同气象条件所带来的极限荷载、安全荷载、施工和维修荷载，由此确定输电杆塔各个薄弱区域所对应的局部加强系数，以此指导工作人员实现对输电杆塔的结构补强设计。


技术实现要素：

3.本发明提供一种抗台风倒塌输电塔杆件局部补强设计方法及系统，以解决现有技术中存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
4.本发明实施例提供一种抗台风倒塌输电塔杆件局部补强设计方法，所述方法包括：
5.建立输电线路塔线体系有限元模型；
6.在台风荷载的作用下对所述输电线路塔线体系有限元模型进行倒塌模拟，获取所述输电线路塔线体系有限元模型中的各个不同区域的风振响应结果，进而将所述各个不同区域划分为单个安全区域和多个薄弱区域；
7.根据所述各个不同区域的风振响应结果，计算出每一个薄弱区域所对应的局部加强系数，进而获取最终局部加强系数作为杆塔强度匹配系数对所述多个薄弱区域进行结构补强。
8.进一步地，所述输电线路塔线体系有限元模型包括输电杆塔有限元模型和导地线模型。
9.进一步地，所述建立输电线路塔线体系有限元模型包括：
10.利用有限元分析软件内部的参数化编程语言编写输电塔架结构命令流，同时结合节点信息和单元信息建立所述输电杆塔有限元模型；
11.根据预先拟定的导线设置参数和地线设置参数生成一个宏文件，再将所述宏文件导入至有限元分析软件中，利用内部的参数化编程语言通过编写循环语句建立所述导地线模型；
12.从所述导地线模型中所包含的每一个导线节点处额外创建一个新节点，并对每一个新节点赋予绝缘材料属性。
13.进一步地，所述在台风荷载的作用下对所述输电线路塔线体系有限元模型进行倒塌模拟，包括：
14.将所述输电线路塔线体系有限元模型优先划分成处于不同高度位置的各个不同
区域，获取所述各个不同区域的风速时程，进而计算出所述各个不同区域所对应的输电杆塔风荷载和导地线风荷载；
15.利用有限元分析软件内部的参数化编程语言将所述各个不同区域所对应的输电杆塔风荷载开始施加到所述输电杆塔有限元模型上，同时将所述各个不同区域所对应的导地线风荷载开始施加到所述导地线模型上。
16.进一步地，所述在台风荷载的作用下对所述输电线路塔线体系有限元模型进行倒塌模拟，还包括：
17.根据所述各个不同区域内的所有结构件所对应的材料屈服强度，利用有限元分析软件在台风荷载作用期间不断对达到材料屈服强度的结构件进行运行失效处理，直至所述输电线路塔线体系有限元模型发生倒塌。
18.进一步地，所述获取所述输电线路塔线体系有限元模型中的各个不同区域的风振响应结果，进而将所述各个不同区域划分为单个安全区域和多个薄弱区域包括：
19.记录所述输电线路塔线体系有限元模型从开始受到台风荷载作用到发生倒塌的时间段，利用有限元分析软件计算出所述各个不同区域在该时间段内的应力响应曲线；
20.计算所述各个不同区域所对应的杆件平均应力，并将杆件平均应力最小的区域定义为安全区域，再将剩下所有的区域均定义为薄弱区域。
21.进一步地，所述根据所述各个不同区域的风振响应结果，计算出每一个薄弱区域所对应的局部加强系数包括：
22.获取所述安全区域所对应的第一杆件应力平均值以及每一个薄弱区域所对应的第二杆件应力平均值，再将该薄弱区域所对应的第二杆件应力平均值与所述第一杆件应力平均值的比值定义为该薄弱区域所对应的第一局部加强系数；
23.获取所述安全区域所对应的第一杆件应力最大值以及每一个薄弱区域所对应的第二杆件应力最大值，再将该薄弱区域所对应的第二杆件应力最大值与所述第一杆件应力最大值的比值定义为该薄弱区域所对应的第二局部加强系数；
24.获取所述安全区域所对应的第一杆件应力极大值以及每一个薄弱区域所对应的第二杆件应力极大值，再将该薄弱区域所对应的第二杆件应力极大值与所述第一杆件应力极大值的比值定义为该薄弱区域所对应的第三局部加强系数。
25.进一步地，将所述安全区域内所包含的所有杆件应力按照从大到小的顺序进行排列，再按照预设数量提取出排列在前的若干个杆件应力，所述安全区域所对应的第一杆件应力极大值即为所述若干个杆件应力的平均值。
26.进一步地，所述最终局部加强系数的获取过程包括：
27.根据每一个薄弱区域所对应的第一局部加强系数、第二局部加强系数和第三局部加强系数，计算每一个薄弱区域所对应的平均局部加强系数；
28.基于所述多个薄弱区域所对应的多个平均局部加强系数，将所述多个平均局部加强系数中的最大值定义为所述最终局部加强系数。
29.另外，本发明实施例还提供一种抗台风倒塌输电塔杆件局部补强设计系统，所述系统包括：
30.至少一个处理器；
31.至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
32.当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现实现上述任一项所述的抗台风倒塌输电塔杆件局部补强设计方法。
33.本发明至少具有以下有益效果：通过将输电线路塔线体系有限元模型在台风荷载作用下的风振响应结果作为参考依据，同时结合对输电线路塔线体系有限元模型的倒塌模拟试验来确定输电杆塔的各个薄弱区域以及最终的局部加强系数，可以为技术人员针对实际输电线路塔线体系执行结构补强时提供理论依据，由此使得该实际输电线路塔线体系可以最大程度地起到抗台风防倒塌的作用，具有良好的实用价值。
附图说明
34.附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
35.图1是本发明实施例中的一种抗台风倒塌输电塔杆件局部补强设计方法的流程示意图；
36.图2是本发明实施例中的单个输电杆塔分区示意图。
具体实施方式
37.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
38.需要说明的是，虽然在系统示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于系统中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
39.请参考图1，图1是本发明实施例提供的一种抗台风倒塌输电塔杆件局部补强设计方法的流程示意图，所述方法包括如下步骤：
40.s101、建立输电线路塔线体系有限元模型，其中所述输电线路塔线体系有限元模型包括输电杆塔有限元模型和导地线模型；
41.s102、在台风荷载的作用下对所述输电线路塔线体系有限元模型进行倒塌模拟，获取所述输电线路塔线体系有限元模型中的各个不同区域的风振响应结果，进而将所述各个不同区域划分为单个安全区域和多个薄弱区域；
42.s103、根据所述各个不同区域的风振响应结果，计算出每一个薄弱区域所对应的局部加强系数，进而获取最终局部加强系数作为杆塔强度匹配系数对所述多个薄弱区域进行结构补强。
43.在上述步骤s101中，所述输电线路塔线体系有限元模型的建立过程包括：首先，利用有限元分析软件(即现有的ansys软件)内部的参数化编程语言(即现有的apdl，ansys parametric design language)编写输电塔线体系命令流，大致顺序为优先编写输电塔架结构命令流，再根据基本的节点信息和单元信息来逐渐建立所述输电杆塔有限元模型；其次，预先编写好建立所述导地线模型所需要的导线设置参数和地线设置参数，其中所述导线设置参数和所述地线设置参数均包括型号、截面积、外径、质量、弹性模量、膨胀系数和拉
断力，创建一个空的宏文件并将所述导线设置参数和所述地线设置参数传递给该宏文件，再将当前宏文件导入至该有限元分析软件中，利用其内部的该参数化编程语言通过编写循环语句建立所述导地线模型；最后，从所述导地线模型中所包含的每一个导线节点处额外创建一个新节点，并对每一个新节点赋予绝缘材料属性，其中所述绝缘材料属性包括型号、单个绝缘子高度、单个绝缘子直径和绝缘子串质量，进而在所述输电线路塔线体系有限元模型中模拟出绝缘子串的实际作用。
44.需要说明的是，在建立所述导地线模型时，还需要提前标注出若干个导地线节点，为后续对所述若干个导地线节点施加台风荷载做好技术准备。
45.在上述步骤s101中，所述输电线路塔线体系有限元模型的x轴方向与所述输电杆塔有限元模型的横担轴线方向保持一致，所述输电线路塔线体系有限元模型的y轴方向与所述导地线模型中的导线走向保持一致，所述输电线路塔线体系有限元模型的z轴方向与所述输电杆塔有限元模型的高度方向保持一致。
46.在上述步骤s102中，对所述输电线路塔线体系有限元模型进行台风荷载作用的实施过程包括：首先，将所述输电线路塔线体系有限元模型优先划分成处于不同高度位置的各个不同区域，参照图2所示出的单个输电杆塔分区示意图进行划分，其中，区域
①
为上横担连接区域，区域
②
为上横担与中横担之间的连接区域，区域
③
为中横担连接区域，区域
④
为中横担与下横担之间的连接区域，区域
⑤
为下横担连接区域，区域
⑥
、区域
⑦
和区域
⑧
均为塔身区域，区域
⑨
为塔腿区域，本发明实施例对所述各个不同区域的划分数量未作出限定；其次，获取所述各个不同区域的风速时程，进而计算出所述各个不同区域所对应的输电杆塔风荷载和导地线风荷载；最后，利用该有限元分析软件内部的该参数化编程语言将所述各个不同区域所对应的输电杆塔风荷载开始施加到所述输电杆塔有限元模型上，同时将所述各个不同区域所对应的导地线风荷载开始施加到所述导地线模型上。
47.在本发明实施例中，所述各个不同区域的风速时程是利用谐波合成法获取到的，具体表现为：首先将kaimal谱作为平稳随机过程的功率谱并模拟生成脉动风速时程，再将所述各个不同区域的平均风速时程与所述脉动风速时程进行叠加，即可得到所述各个不同区域的风速时程；其中，任意一个区域的平均风速时程的计算公式为u＝(z/zr)
α
×
ur，u为该区域的平均风速时程，ur为已知的参考高度处的基本风速时程，z为该区域距离所述输电线路塔线体系有限元模型所在地面的高度，zr为已知的参考高度，α为所述输电线路塔线体系有限元模型所在地面的地表粗糙程度。
48.在本发明实施例中，根据所述各个不同区域的风速时程可以计算出所述各个不同区域所对应的输电杆塔风荷载和导地线风荷载，由于技术人员预先设定对所述输电杆塔有限元模型所施加的台风荷载的来流方向与地面平行，此时任意一个区域所对应的输电杆塔风荷载的计算公式为f
t
为该区域的输电杆塔风荷载，ρ为空气密度，c
ft
为横向风力系数，a
t
为该区域内的所有杆件的横向投影面积，为风向角；由于技术人员预先设定对所述导地线模型所施加的台风荷载的来流方向与导地线的轴线方向垂直且与地面平行，在忽略台风荷载沿导地线方向所产生的粘滞力和摩擦力不计的情况下，应当对所述导地线模型同时施加横风向的导地线风荷载和竖风向的导地线风荷载，且这两个不同风向的导地线风荷载是值相等的，此时任意一个区域所对应的导地线风荷载的计算
公式为fc为该区域的导地线风荷载，cf为导地线风力系数，ac为导地线挡风面积。
49.在本发明实施例中，利用该有限元分析软件内部的该参数化编程语言可将所述各个不同区域所对应的输电杆塔风荷载和导地线风荷载分别施加到所述输电线路塔线体系有限元模型中，具体表现为：对于所述输电杆塔有限元模型，将所述各个不同区域所对应的输电杆塔风荷载施加到其所在区域内的落在同一水平面的四个角点上；对于所述导地线模型，将所述各个不同区域所对应的导地线风荷载施加到其所在区域内的已被标注出来的所有导地线节点上，且确保在每一个导地线节点处的横风向(即沿着x轴方向)和竖风向(即沿着z轴方向)上均施加有对应的导地线风荷载。
50.在上述步骤s102中，在台风荷载的作用下对所述输电线路塔线体系有限元模型进行倒塌模拟的实施过程为：根据所述各个不同区域内的所有结构件所对应的材料屈服强度，利用该有限元分析软件在台风荷载作用期间不断对达到材料屈服强度的结构件进行运行失效处理，直至所述输电线路塔线体系有限元模型发生倒塌。
51.更为具体的，首先拟定所述各个不同区域内的所有结构件所对应的材料屈服强度，在该有限元分析软件对所述输电线路塔线体系有限元模型不断施加台风荷载作用期间，利用该有限元分析软件自带的生死单元法对所述各个不同区域内的所有结构件所对应的应力值进行实时识别，且当任意一个结构件所对应的应力值达到该结构件所对应的材料屈服强度时，认定该结构件运行失效并将其退出工作模式，通过不断执行上述识别判断方式控制一定数量的结构件退出工作之后，所述输电线路塔线体系有限元模型将会产生倒塌现象。
52.需要说明的是，所述输电线路塔线体系有限元模型在受到强台风作用下出现倒塌现象主要存在四类破坏形式，即上横担破坏形式、中横担破坏形式、下横担破坏形式和塔杆折断破坏形式，针对以上四类破坏形式进行描述如下：上横担破坏形式表现为上横担连接处受到导线重力影响发生压弯屈服破坏；中横担破坏形式表现为在台风荷载作用时中横担连接处发生屈服，且由于中横担直接承受导线重力而发生向下位移造成运行失效；塔杆折断破坏形式表现为在台风载荷和导线重力的联合作用时上横担与中横担的连接处出现折断现象；下横担破坏形式表现为在台风荷载和地震荷载的联合作用时下横担连接处发生屈服，且由于下横担直接承受导线重力而发生向下位移造成运行失效。
53.在上述步骤s102中，将所述各个不同区域划分为单个安全区域和多个薄弱区域的具体实施过程包括：首先，记录所述输电线路塔线体系有限元模型从开始受到台风荷载作用到发生倒塌的时间段，利用该有限元分析软件可以监测到在该时间段内所述输电线路塔线体系有限元模型中的所述各个不同区域的风振响应结果，进而计算输出所述各个不同区域在该时间段内的应力响应曲线；其次，计算所述各个不同区域所对应的杆件平均应力，并将杆件平均应力最小的区域定义为安全区域，再将剩下所有的区域均定义为薄弱区域。
54.在上述步骤s103中，以所述各个不同区域在该时间段内的应力响应曲线为相关参数获取来源，针对所述多个薄弱区域中的每一个薄弱区域所对应的局部加强系数的计算过程说明如下：
55.获取所述安全区域所对应的第一杆件应力平均值σ0以及每一个薄弱区域所对应
的第二杆件应力平均值σ，再将该薄弱区域所对应的第二杆件应力平均值σ与所述第一杆件应力平均值σ0的比值定义为该薄弱区域所对应的第一局部加强系数，即k1＝σ/σ0；
56.获取所述安全区域所对应的第一杆件应力最大值σ
m0
以及每一个薄弱区域所对应的第二杆件应力最大值σm，再将该薄弱区域所对应的第二杆件应力最大值σm与所述第一杆件应力最大值σ
m0
的比值定义为该薄弱区域所对应的第二局部加强系数，即k2＝σm/σ
m0
；
57.获取所述安全区域所对应的第一杆件应力极大值σ
p0
以及每一个薄弱区域所对应的第二杆件应力极大值σ
p
，再将该薄弱区域所对应的第二杆件应力极大值σ
p
与所述第一杆件应力极大值σ
p0
的比值定义为该薄弱区域所对应的第三局部加强系数，即k3＝σ
p
/σ
p0
。
58.在本发明实施例中，首先设定一个固定比例，针对所述安全区域所对应的第一杆件应力极大值σ
p0
的获取过程为：首先将所述安全区域内所包含的所有杆件应力按照从大到小的顺序进行排列，按照预设数量提取出排列在前的若干个杆件应力，其中该预设数量为所述安全区域内所包含的所有杆件数量与所述固定比例的乘积，再将所述若干个杆件应力的平均值定义为所述安全区域所对应的第一杆件应力极大值σ
p0
。
59.同理，针对任意一个薄弱区域所对应的第二杆件应力极大值σ
p
的获取过程为：首先将该薄弱区域内所包含的所有杆件应力按照从大到小的顺序进行排列，按照第一预设数量提取出排列在前的若干个杆件应力，其中该第一预设数量为该薄弱区域内所包含的所有杆件数量与所述固定比例的乘积，再将所述若干个杆件应力的平均值定义为该薄弱区域所对应的第二杆件应力极大值σ
p
。
60.在本发明实施例中，当确定所述各个不同区域内的所有杆件应力分布较为均匀合理时，可以直接参考所述多个薄弱区域所对应的多个第一局部加强系数以辅助完成后续结构补强设计；当确定所述各个不同区域内的所有杆件应力分布不均匀时，鉴于所述各个不同区域内可能存在结构设计有较大缺陷的单根杆件无法被反映出来，可以直接参考所述多个薄弱区域所对应的多个第二局部加强系数以辅助完成后续结构补强设计；当确定所述各个不同区域内的所有杆件应力分布不均匀时，鉴于所述各个不同区域内可能存在结构设计有较大缺陷的多根杆件，为克服单根杆件所带来的偶然性因素，可以直接参考所述多个薄弱区域所对应的多个第三局部加强系数以辅助完成后续结构补强设计；但是在一般情况下，还是需要对所述多个薄弱区域所对应的多个第一局部加强系数、多个第二局部加强系数和多个第三局部加强系数进行综合考虑更为可靠。
61.在上述步骤s103中，所述最终局部加强系数的获取过程包括：首先将每一个薄弱区域所对应的第一局部加强系数、第二局部加强系数和第三局部加强系数进行均值求解，得到每一个薄弱区域所对应的平均局部加强系数；其次基于所述多个薄弱区域所对应的多个平均局部加强系数，将所述多个平均局部加强系数中的最大值定义为所述最终局部加强系数。
62.在上述步骤s103中，利用所述最终局部加强系数作为杆塔强度匹配系数对所述多个薄弱区域进行结构补强的实施方式表现为：通过替换主材等方式来提高所述多个薄弱区域的材料强度，或者通过加强螺栓连接、增添加固辅材等方式来提高所述多个薄弱区域内的杆件间连接强度，进而使得所述输电线路塔线体系有限元模型的整体结构更加安全。
63.在本发明实施例中，通过将输电线路塔线体系有限元模型在台风荷载作用下的风振响应结果作为参考依据，同时结合对输电线路塔线体系有限元模型的倒塌模拟试验来确
定输电杆塔的各个薄弱区域以及最终的局部加强系数，可以为技术人员针对实际输电线路塔线体系执行结构补强时提供理论依据，由此使得该实际输电线路塔线体系可以最大程度地起到抗台风防倒塌的作用，具有良好的实用价值。
64.另外，本发明实施例还提供一种抗台风倒塌输电塔杆件局部补强设计系统，所述系统包括：
65.至少一个处理器；
66.至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
67.当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上述任一实施例所述的抗台风倒塌输电塔杆件局部补强设计方法。
68.上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所实现的功能与上述方法实施例相同，并且所达到的有益效果与上述方法实施例相同。
69.所述处理器可以是中央处理单元(central-processing-unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital-signal-processor，dsp)、专用集成电路(application-specific-integrated-circuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmable-gate-array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述抗台风倒塌输电塔杆件局部补强设计系统的控制中心，利用各种接口和线路连接整个抗台风倒塌输电塔杆件局部补强设计系统可运行装置的各个部分。
70.所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述抗台风倒塌输电塔杆件局部补强设计系统的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中：存储程序区用于存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区用于存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(smart-media-card，smc)，安全数字(secure-digital，sd)卡，闪存卡(flash-card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件或者其他易失性固态存储器件。
71.尽管本技术的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求，考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本技术的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本技术进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本技术的非实质性改动仍可代表本技术的等效改动。