CN101979974B - 一种输电塔全场应力监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种输电塔全场应力监测方法，其特征在于包括以下步骤：(1)建立输电塔高保真有限元模型；(2)在输电塔上安装GPS；(3)获得工作状态下的GPS数据，运用姿态求解技术获得高精度的输电塔姿态数据；(4)将姿态数据代入输电塔高保真有限元模型，获得工作状态下的全场应力。本发明克服现有监测技术仅能获得输电塔工作状态下数量有限测点应力的不足，通过将GPS数据与结构有限元数据相结合，获得工作状态下输电塔的全场应力。

Description

一种输电塔全场应力监测方法

技术领域

本发明涉及一种应用于工程结构全场应力监测的方法，尤其是一种应用于输电塔的全场应力监测的方法。

背景技术

输电塔是高压与超高压输电线路的核心组成部分，输电塔通常情况下具有塔体高、跨距大、柔度大等高耸结构和大跨度结构的共同特点，对地震、风以及导线覆冰等环境载荷反应灵敏，极端条件下的倒塌破坏会造成严重后果。2008年初全国范围内的暴风雪、冻雨等极端天气条件，引起湖南、贵州等地多起输电线路输电塔倒塌进而导致大范围停电事故，对地区性国民经济的正常运行和群众的正常生活造成了严重的影响。这就使得输电塔结构安全监测十分必要。

应力是输电塔结构最为重要的力学参数之一，掌握输电塔结构在工作荷载下的应力状态对于实施结构安全评估十分重要。目前，掌握输电塔的应力主要有两种方法：其一，在设计阶段，通过有限元分析，获得输电塔结构在预设荷载下的应力；其二，在输电塔建成后，在塔上安装若干传感器，获得输电塔工作荷载下的局部应力。这两种方式的不足在于：对第一种方法，不能获得输电塔结构真实工作状态下的应力；对第二种方法，受制于传感器数量，仅能获得有限测点上的应力，不能获得输电塔的全场应力。对输电塔结构安全监测而言，最为重要的是获得输电塔在真实工作状态下、承受工作荷载时、结构的全场应力状态。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种对工作状态下的输电塔进行全场应力监测的方法。

技术方案：本发明所述的输电塔全场应力监测方法，包括以下步骤：

(1)建立输电塔高保真有限元模型，具体包括：

(11)建立输电塔的初始有限元模型；

(12)根据输电塔的测量数据对初始有限元模型进行修正；

(13)获得输电塔高保真有限元模型；

(2)在输电塔上安装GPS；

(3)获得工作状态下的GPS数据，运用姿态求解技术获得高精度的输电塔姿态数据；

(4)将姿态数据代入输电塔高保真有限元模型，获得工作状态下的全场应力，具体包括：

(41)建立结构的静力方程；

(42)将步骤(3)中获得姿态数据作为位移边界条件代入方程；

(43)解方程得到全场应力。

本发明的有益效果为：1、本发明克服现有监测技术仅能获得输电塔工作状态下数量有限测点应力的不足，通过将GPS数据与结构有限元数据相结合，获得工作状态下输电塔的全场应力；2、本发明运用姿态求解技术、高保真建模技术，可以实现工作状态下输电塔结构全场应力高精度监测。

具体实施方式

下面通过实施例的方式，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：一种输电塔全场应力监测方法，包括以下步骤：

(1)建立输电塔高保真有限元模型，具体方法如下：

首先，建立输电塔的初始有限元模型；

其次，根据输电塔的测量数据对初始有限元模型进行修正；

最后，获得输电塔高保真有限元模型；

(2)在输电塔上安装GPS；

(3)获得工作状态下的GPS数据，运用姿态求解技术获得高精度的输电塔姿态数据，方法如下：

A、B为两GPS天线，称为基线，长为L，设A、B在当地地理坐标系中的坐标为：

${\stackrel{\→}{S}}_1=(X_1,Y_1,Z_1);$ ${\stackrel{\→}{S}}_2=(X_2,Y_2,Z_2)$

θ₁，θ₂，θ₃为三个结构姿态角，则有关系式：

${\mathrm{\θ}}_1={\cos }^{-1}\left(\frac{X_2-X_1}{L}\right)$

${\mathrm{\θ}}_2={\cos }^{-1}\left(\frac{X_2-X_1}{L}\right)$

${\mathrm{\θ}}_3={\cos }^{-1}\left(\frac{Z_2-Z_1}{L}\right)$

$L=\sqrt{{(X_2-X_1)}^2+{(Y_2-Y_1)}^2+{(Z_2-Z_1)}^2}$

GPS采用的是地球坐标系，而输电塔姿态采用的是在当地地理坐标系下的坐标，因此需要将地球坐标系下的坐标转换为当地地理坐标系下的坐标，二者存在如下变换关系：

S_L＝TS_E

λ、

是当地的地理经度、纬度；S_E是

基线在地球坐标系中的位置向量；S_L是

基线在当地地理坐标系中的位置向量；T是地球坐标系到地理坐标系的转换矩阵；

(4)将姿态数据代入依据输电塔高保真有限元模型建立的结构静力方程，获得工作状态下的全场应力，具体包括：

首先，依据高保真有限元模型，建立结构的静力方程；

其次，将步骤(3)中获得姿态数据作为位移边界条件代入方程；

最终，解方程得到全场应力。

Claims (2)

1.一种输电塔全场应力监测方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)建立输电塔高保真有限元模型；

(2)在输电塔上安装GPS；

(3)获得工作状态下的GPS数据，运用姿态求解技术获得高精度的输电塔姿态数据，具体方法如下：

A、B为两GPS天线，

称为基线，长为L，设A、B在当地地理坐标系中的坐标为：

${\stackrel{\→}{S}}_1=(X_1,Y_1,Z_1);$ ${\stackrel{\→}{S}}_2=(X_2,Y_2,Z_2)$

θ₁，θ₂，θ₃为三个结构姿态角，则有关系式：

${\mathrm{\θ}}_1={\cos }^{-1}\left(\frac{X_2-X_1}{L}\right)$

${\mathrm{\θ}}_2={\cos }^{-1}\left(\frac{X_2-X_1}{L}\right)$

${\mathrm{\θ}}_3={\cos }^{-1}\left(\frac{Z_2-Z_1}{L}\right)$

$L=\sqrt{{(X_2-X_1)}^2+{(Y_2-Y_1)}^2+{(Z_2-Z_1)}^2}$

GPS采用的是地球坐标系，而输电塔姿态采用的是在当地地理坐标系下的坐标，因此需要将地球坐标系下的坐标转换为当地地理坐标系下的坐标，二者存在如下变换关系：

S_L＝TS_E

λ、

是当地的地理经度、纬度；S_E是基线在地球坐标系中的位置向量；S_L是

基线在当地地理坐标系中的位置向量；T是地球坐标系到地理坐标系的转换矩阵；

(4)将姿态数据代入依据输电塔高保真有限元模型建立的结构静力方程，获得工作状态下的全场应力，具体方法如下：

(41)依据高保真有限元模型，建立结构的静力方程；

(42)将步骤(3)中获得姿态数据作为位移边界条件代入方程；

(43)解方程得到全场应力。

2.根据权利要求1所述的输电塔全场应力监测方法，其特征在于步骤(1)包括如下步骤：

(11)建立输电塔的初始有限元模型；

(12)根据输电塔的测量数据对初始有限元模型进行修正；

(13)获得输电塔高保真有限元模型。