杆塔-基础-改良地基体系地震响应计算模型及试验方法与流程

1.本发明属于输电杆塔体系安全评价技术领域，具体涉及杆塔-基础-改良地基体系地震响应计算模型及试验方法。


背景技术：

2.我国地质构造复杂，地震断裂带发育范围广，地震强度大且频率高，每年都有大量因地震引发的地质灾害和基础设施损坏现象发生。近年来，随着电网工程项目的扩展建设，输电杆塔体系在地震作用下的安全性引起了高度关注，输电杆塔体系实际上是一种塔-线-基础耦合体，在地震作用下破坏模式有很多，诸如杆塔基础不均匀沉降、输电线路断线、杆塔倾斜及倒塔，地震作用下输电杆塔体系的破坏会引发输电网络的瘫痪，造成巨大的经济损失并引发各种次生灾害。因此，保证地震作用下输电杆塔系统安全稳定性具有重要意义。
3.目前可以通过改良地基削弱地震作用对输电杆塔体系的影响，由于改良地基土中抗震组份与基土的配比对输电杆塔体系的抗震性能影响很大，现有技术中通常通过对改良地基进行动三轴试验等力学试验评判改良地基土的动力特性及抗震性能，进而确定改良地基土的最佳抗震配合比，但该方式不能直观展示不同配比改良地基土条件下输电杆塔体系的地震响应状况，无法准确保障输电杆塔体系的安全稳定性。因此，亟需一种能够直观体现输电杆塔体系在不同配比改良地基土条件下的抗震性能，从输电杆塔体系的地震响应角度出发确定改良地基土最佳配合比的杆塔-基础-改良地基体系地震响应计算模型及试验方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术存在的上述问题，提供一种更为直观且能从输电杆塔体系的地震响应角度出发，确定改良地基土最佳配合比的杆塔-基础-改良地基体系地震响应计算模型及试验方法。
5.为实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：杆塔-基础-改良地基体系地震响应计算模型的试验方法，所述试验方法依次包括以下步骤：s1、先构建实际场地的输电杆塔-输电线-杆塔基础物理模型，并制备多个改良地基试样，所述输电杆塔-输电线-杆塔基础物理模型包括多个输电杆塔模型、多个输电线模型、多个杆塔基础模型，然后将杆塔基础模型埋设在由改良地基试样制成的改良地基土层中，以构建整体模型，其中，所述多个改良地基试样均由抗震组份与来自实际场地的基土按不同配比混合得到；s2、在整体模型上增设检测输电线模型最大拉应力的应变片，增设检测输电杆塔模型塔尖摆动幅度的位移传感器，增设检测杆塔基础模型倾斜度的倾角传感器，增设检测改良地基土层平均隆起度的激光三维扫描仪，向改良地基土层底部输入地震波，以构建杆塔-基础-改良地基体系地震响应计算模型；
s3、利用计算机根据在由步骤s2得到的地震响应计算模型中检测到的输电杆塔模型塔尖摆动幅度、输电线模型最大拉应力、杆塔基础模型倾斜度、改良地基土层平均隆起度，确定改良地基中抗震组份与来自实际场地的基土最佳抗震配比。
6.所述步骤s3依次包括以下步骤：s31、利用计算机筛选得到同时满足以下条件的多个地震响应计算模型：检测到的输电杆塔模型塔尖摆动幅度≤输电杆塔模型塔尖摆动幅度的极限值；检测到的输电线模型最大拉应力≤输电线模型最大拉应力的极限值；检测到的杆塔基础模型倾斜度≤杆塔基础模型倾斜度的极限值；s32、利用计算机在由步骤s31得到的多个地震响应计算模型中选取改良地基土层平均隆起度最小的地震响应模型，并以该具有最小平均隆起度的地震响应计算模型的改良地基配比作为实际场地的改良地基的最佳抗震配比。
7.所述输电杆塔模型塔尖摆动幅度的极限值为15mm；所述输电线模型最大拉应力的极限值为输电线模型的制备材料抗拉强度的0.85倍；所述杆塔基础模型倾斜度的极限值为0.5%。
8.所述抗震组份包括橡胶颗粒、布纤维，所述橡胶颗粒、布纤维在改良地基试样中的百分比含量分别为5-25%、1-5%，其他为来自实际场地的基土。
9.所述布纤维由废旧衣物回收后制成。
10.步骤s1中，所述输电杆塔模型、输电线模型、杆塔基础模型分别根据实际场地中的输电杆塔、杆塔基础、输电线经等比例缩小得到。
11.杆塔-基础-改良地基体系地震响应计算模型，所述地震响应计算模型包括改良地基土层、计算机、多个输电杆塔模型、多个输电线模型、与输电杆塔模型一一对应设置的多个杆塔基础模型，所述输电杆塔模型的底部与埋设在改良地基土层中的杆塔基础模型固定连接，相邻输电杆塔模型的顶部之间通过输电线模型相连，每个输电线模型上均间隔布置有多个应变片，至少连有两个输电线模型的输电杆塔模型塔尖处布置有位移传感器，与至少连有两个输电线模型的输电杆塔模型相对应的杆塔基础模型上布置有倾角传感器，所述改良地基土层上架设有激光三维扫描仪，所述位移传感器、应变片、倾角传感器、激光三维扫描仪的信号输出端均与计算机的信号输入端相连接。
12.所述激光三维扫描仪与每个杆塔基础模型的距离至少为杆塔基础模型宽度的五倍。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明杆塔-基础-改良地基体系地震响应计算模型的试验方法中，首先构建实际场地的输电杆塔-输电线-杆塔基础物理模型并制备多个改良地基试样，该物理模型包括多个输电杆塔模型、多个输电线模型、多个杆塔基础模型，然后将杆塔基础模型埋设在由改良地基试样制成的改良地基土层中，增设检测输电线模型最大拉应力的应变片，增设检测输电杆塔模型塔尖摆动幅度的位移传感器，增设检测杆塔基础模型倾斜度的倾角传感器，增设检测改良地基土层平均隆起度的激光三维扫描仪，向改良地基土层底部输入地震波，以构建杆塔-基础-改良地基体系地震响应计算模型，最后利用计算机根据在地震响应计算模型中检测到的输电杆塔模型塔尖摆动幅度、输电线模型最大拉应力、杆塔基础模型倾斜度、
改良地基土层平均隆起度，共同确定改良地基的最佳抗震配比，该设计中，根据检测得到的输电杆塔模型塔尖摆动幅度、输电线模型最大拉应力、杆塔基础模型倾斜度分别能够直观体现输电杆塔体系中输电杆塔、输电线、杆塔基础在地震作用下的变形程度，根据检测得到的改良地基土层平均隆起度清晰展示改良地基土层的隆起情况，选取在相同等级地震作用下，变形程度达标且隆起程度最小的改良地基配比作为实际场地的改良地基最佳抗震配比，最大程度保障输电杆塔体系的安全稳定性。因此，本发明能够直观体现输电杆塔体系在不同配比改良地基土条件下的抗震性能，从输电杆塔体系的地震响应角度出发确定改良地基土最佳抗震配比。
附图说明
14.图1为本发明中杆塔-基础-改良地基体系地震响应计算模型的结构示意图。
15.图2为本发明的控制原理图。
16.图3为实施例1中15个地震响应计算模型的输电线模型最大拉应力检测结果。
17.图4为实施例1中15个地震响应计算模型的杆塔基础模型倾斜度检测结果。
18.图5为实施例1中15个地震响应计算模型的输电杆塔模型塔尖摆动幅度检测结果。
19.图6为实施例1中由步骤s4筛选得到的3个地震响应计算模型的改良地基土层平均隆起度检测结果。
20.图中，改良地基土层1、橡胶颗粒11、布纤维12、计算机2、输电杆塔模型3、输电线模型4、杆塔基础模型5、应变片6、位移传感器7、倾角传感器8、激光三维扫描仪9。
具体实施方式
21.下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
22.参见图1至图6，杆塔-基础-改良地基体系地震响应计算模型的试验方法，所述试验方法依次包括以下步骤：s1、先构建实际场地的输电杆塔-输电线-杆塔基础物理模型，并制备多个改良地基试样，所述输电杆塔-输电线-杆塔基础物理模型包括多个输电杆塔模型3、多个输电线模型4、多个杆塔基础模型5，然后将杆塔基础模型5埋设在由改良地基试样制成的改良地基土层1中，以构建整体模型，其中，所述多个改良地基试样均由抗震组份与来自实际场地的基土按不同配比混合得到；s2、在整体模型上增设检测输电线模型4最大拉应力的应变片6，增设检测输电杆塔模型3塔尖摆动幅度的位移传感器7，增设检测杆塔基础模型5倾斜度的倾角传感器8，增设检测改良地基土层1平均隆起度的激光三维扫描仪9，向改良地基土层1底部输入地震波，以构建杆塔-基础-改良地基体系地震响应计算模型；s3、利用计算机2根据在由步骤s2得到的地震响应计算模型中检测到的输电杆塔模型3塔尖摆动幅度、输电线模型4最大拉应力、杆塔基础模型5倾斜度、改良地基土层1平均隆起度，确定改良地基中抗震组份与来自实际场地的基土最佳抗震配比。
23.所述步骤s3依次包括以下步骤：s31、利用计算机2筛选得到同时满足以下条件的多个地震响应计算模型：检测到的输电杆塔模型3塔尖摆动幅度≤输电杆塔模型3塔尖摆动幅度的极限值；
检测到的输电线模型4最大拉应力≤输电线模型4最大拉应力的极限值；检测到的杆塔基础模型5倾斜度≤杆塔基础模型5倾斜度的极限值；s32、利用计算机2在由步骤s31得到的多个地震响应计算模型中选取改良地基土层1平均隆起度最小的地震响应模型，并以该具有最小平均隆起度的地震响应计算模型的改良地基配比作为实际场地的改良地基的最佳抗震配比。
24.所述输电杆塔模型3塔尖摆动幅度的极限值为15mm；所述输电线模型4最大拉应力的极限值为输电线模型4制备材料的抗拉强度的0.85倍；所述杆塔基础模型5倾斜度的极限值为0.5%。
25.所述抗震组份包括橡胶颗粒11、布纤维12，所述橡胶颗粒11、布纤维12在改良地基试样中的百分比含量分别为5-25%、1-5%，其他为来自实际场地的基土。
26.所述布纤维12由废旧衣物回收后制成。
27.步骤s1中，所述输电杆塔模型3、输电线模型4、杆塔基础模型5分别根据实际场地中的输电杆塔、杆塔基础、输电线经等比例缩小得到。
28.杆塔-基础-改良地基体系地震响应计算模型，所述地震响应计算模型包括改良地基土层1、计算机2、多个输电杆塔模型3、多个输电线模型4、与输电杆塔模型3一一对应设置的多个杆塔基础模型5，所述输电杆塔模型3的底部与埋设在改良地基土层1中的杆塔基础模型5固定连接，相邻输电杆塔模型3的顶部之间通过输电线模型4相连，每个输电线模型4上均间隔布置有多个应变片6，至少连有两个输电线模型4的输电杆塔模型3塔尖处布置有位移传感器7，与至少连有两个输电线模型4的输电杆塔模型3相对应的杆塔基础模型5上布置有倾角传感器8，所述改良地基土层1上架设有激光三维扫描仪9，所述位移传感器7、应变片6、倾角传感器8、激光三维扫描仪9的信号输出端均与计算机2的信号输入端相连接。
29.所述激光三维扫描仪9与每个杆塔基础模型5的距离至少为杆塔基础模型5宽度的五倍。
30.实施例1：参见图1、图2，以鄂西地区恩渔线输电杆塔体系为试验对象，一种杆塔-基础-改良地基体系地震响应计算模型，包括改良地基土层1、计算机2、三个输电杆塔模型3、两个输电线模型4、与输电杆塔模型3一一对应设置的三个杆塔基础模型5，所述输电杆塔模型3、输电线模型4、杆塔基础模型5分别根据实际场地中的输电杆塔、杆塔基础、输电线经等比例缩小得到，其缩小比例为1/20，输电杆塔模型3与实际场地中输电杆塔的制作材料相同，均为q345钢，所述输电线模型4与实际场地中输电线的制作材料相同，均为直径5mm的钢芯铝导线，所述杆塔基础模型5与实际场地中输电线的制作材料相同，均为c30混凝土，所述输电杆塔模型3的底部与埋设在改良地基土层1中的杆塔基础模型5固定连接，相邻输电杆塔模型3的顶部之间通过输电线模型4相连，每个输电线模型4上均间隔布置有多个应变片6，相邻应变片6之间的距离为10cm，连有两个输电线模型4的输电杆塔模型3塔尖处布置有位移传感器7，与连有两个输电线模型4的输电杆塔模型3相对应的杆塔基础模型5上布置有倾角传感器8，所述改良地基土层1上架设有激光三维扫描仪9，将激光三维扫描仪9与每个杆塔基础模型5的距离控制在杆塔基础模型5宽度的五倍及以上，所述位移传感器7、应变片6、倾角传感器8、激光三维扫描仪9的信号输出端均与计算机2的信号输入端相连接；
基于上述杆塔-基础-改良地基体系地震响应计算模型的试验方法，依次按照以下步骤进行：s1、先构建实际场地的输电杆塔-输电线-杆塔基础物理模型，并制备多个改良地基试样，所述输电杆塔-输电线-杆塔基础物理模型包括三个输电杆塔模型3、两个输电线模型4、三个杆塔基础模型5，所述多个改良地基试样均由抗震组份与来自实际场地的基土按不同配比混合得到，然后将杆塔基础模型5埋设在由改良地基试样制成的改良地基土层1中，以构建整体模型；其中，所述抗震组份包括橡胶颗粒11、布纤维12，所述橡胶颗粒11的粒径为3mm，所述布纤维12由废旧衣物回收后制成，所述橡胶颗粒11在改良地基试样中的百分比含量设置为5%、10%、15%、20%、25%，所述布纤维12在改良地基试样中的百分比含量设置为1%、3%、5%，其余为来自实际场地的基土，根据橡胶颗粒11、布纤维12在改良地基试样中的不同配比制备得到共15个改良地基试样，根据该15个改良地基试样构建得到共15个整体模型；s2、在整体模型上增设检测输电线模型4最大拉应力的应变片6，增设检测输电杆塔模型3塔尖摆动幅度的位移传感器7，增设检测杆塔基础模型5倾斜度的倾角传感器8，增设检测改良地基土层1平均隆起度的激光三维扫描仪9，向改良地基土层1底部输入地震波，以构建杆塔-基础-改良地基体系地震响应计算模型，基于由步骤s1得到的15个整体模型构建得到共15个地震响应计算模型；s3、利用计算机2从15个地震响应计算模型中筛选出同时满足以下条件的地震响应计算模型：检测到的输电杆塔模型3塔尖摆动幅度≤15mm；检测到的输电线模型4最大拉应力≤输电线模型4的制备材料抗拉强度的0.85倍，所述输电线模型4制备材料抗拉强度的0.85倍为20mpa；检测到的杆塔基础模型5倾斜度≤0.5%；所述15个地震响应计算模型中输电线模型4最大拉应力、杆塔基础模型5倾斜度、输电杆塔模型3塔尖摆动幅度的检测结果分别见图3-图5，根据图3-图5筛选得到共3个地震响应计算模型，所述3个地震响应计算模型中改良地基土配比分别为布纤维3%且橡胶颗粒10%、布纤维3%且橡胶颗粒15%、布纤维5%且橡胶颗粒10%；s4、利用计算机2在由步骤s4筛选得到的3个地震响应计算模型中选取改良地基土层1平均隆起度最小的地震响应模型，所述3个地震响应计算模型的改良地基土层1平均隆起度检测结果见图6，根据图6可知，改良地基土配比为布纤维3%且橡胶颗粒量15%的地震响应计算模型的平均隆起度最小，因此，将布纤维3%且橡胶颗粒量15%作为鄂西地区恩渔线输电杆塔体系的改良地基最佳抗震配比。