CN104778291B - 一种基于监测基础变形的采动区输电铁塔承载力评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于监测基础变形的采动区输电铁塔承载力评估方法，所述方法包括：建立输电铁塔有限元模型；确定不同类型基础变形的约束条件；处理所述基础变形的监测数据；进行输电铁塔结构内力分析和对基础变形输电铁塔承载力评估。该方法可依据输电铁塔基础变形监测数据，实现采动区输电铁塔不均匀沉降、倾斜和水平滑移等多种基础变形类型的模拟，考虑基础变形过程中铁塔大变形影响，具有更好的适用性和更高的精度。
Description
技术领域：
本发明涉及一种评估方法，更具体涉及一种基于监测基础变形的采动区输电铁塔承载力评估方法。
背景技术：
由于地域特点和走廊条件的限制，输电线路往往要经过煤矿采动区地段，中国已有1000kV及以下电压等级的输电线路经过煤矿采动区地段。受煤矿采动区地表沉陷的影响，输电线路铁塔基础将发生不均匀沉降、倾斜和水平滑移等破坏，进而使铁塔的根开和塔腿高差发生变化，塔体结构产生较大的附加应力，造成塔体局部破坏或整体发生倒塌，直接威胁输电铁塔安全及线路的稳定运行。
目前的输电线路铁塔设计规范中，还未将基础变形作为一种荷载工况进行考虑，无法进行采动区输电铁塔结构设计和加固改造方案制定。应当采用理论分析和有限元模拟相结合的方法，考虑基础变形过程中输电铁塔结构大变形的影响，提出具有较强适用性的采动区输电铁塔结构承载力评估方法。
发明内容：
本发明的目的是提供一种基于监测基础变形的采动区输电铁塔承载力评估方法，该方法可依据输电铁塔基础变形监测数据，实现采动区输电铁塔不均匀沉降、倾斜和水平滑移等多种基础变形类型的模拟，考虑基础变形过程中铁塔大变形影响，具有更好的适用性和更高的精度。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于监测基础变形的采动区输电铁塔承载力评估方法，所述方法包括以下步骤：
（1）建立输电铁塔有限元模型；
（2）确定不同类型基础变形的约束条件；
（3）处理所述基础变形的监测数据；
（4）进行输电铁塔结构内力分析；
（5）对基础变形输电铁塔承载力评估。
本发明提供的一种基于监测基础变形的采动区输电铁塔承载力评估方法，所述步骤（1）中的输电铁塔有限元模型通过输电铁塔司令图标注的尺寸生成节点空间坐标并通过梁单元和杆单元建立输电铁塔有限元模型。
本发明提供的一种基于监测基础变形的采动区输电铁塔承载力评估方法，所述输电铁塔的塔身主材和横担主材采用梁单元，所述输电铁塔的塔身斜材和横担斜材采用杆单元；所述主材与斜材连接方式为铰接。
本发明提供的另一优选的一种基于监测基础变形的采动区输电铁塔承载力评估方法，所述步骤（2）中的基础变形包括沉降、倾斜和水平滑移；通过对输电铁塔塔脚处的约束模拟基础变形。
本发明提供的再一优选的一种基于监测基础变形的采动区输电铁塔承载力评估方法，当所述输电铁塔塔脚发生沉降时，沉降处释放铁塔垂直方向平动自由度，非沉降处固结；当所述输电铁塔塔脚发生水平滑移时，沉降处释放铁塔横线路方向平动自由度，非沉降处固结；当所述输电铁塔塔脚发生倾斜时，沉降处释放铁塔垂直方向平动自由度和绕铁塔顺线路方向的转动自由度，非沉降处释放绕铁塔顺线路方向的转动自由度。
本发明提供的又一优选的一种基于监测基础变形的采动区输电铁塔承载力评估方法，当每个所述输电铁塔塔脚下方设置的基础未发生变形时，约束输电铁塔塔脚节点的所有自由度；当所述基础发生水平滑移时，所述输电铁塔一侧的塔脚固定，其另外一侧塔脚水平移动；当所述基础发生不均匀沉降时，所述输电铁塔的其中一个不发生沉降，其他三个塔脚沉降量按相对沉降量确定；当设置在所有所述基础下方的大板基础发生倾斜时，所述输电铁塔的一侧塔脚固定，其另一侧塔脚均匀沉降。
本发明提供的又一优选的一种基于监测基础变形的采动区输电铁塔承载力评估方法，所述步骤（3）采用经纬仪或全站仪对采动区输电铁塔塔脚绝对标高进行监测，以沉降量最小的某一塔脚标高为基准，计算得到各塔脚的相对沉降量，按照时间顺序对各个塔脚相对沉降量进行编号，生成横坐标为数据编号i和纵坐标为相对沉降量Δz的数据系列，其中i=1，2，3，…，n。
本发明提供的又一优选的一种基于监测基础变形的采动区输电铁塔承载力评估方法，所述步骤（4）中当基础发生倾斜变形时，需要考虑结构大变形的影响；当基础发生沉降、水平滑移变形时，其结构大变形对输电铁塔承载力影响忽略不计。
本发明提供的又一优选的一种基于监测基础变形的采动区输电铁塔承载力评估方法，在常遇荷载和基础变形共同作用下，进行输电铁塔受力分析，得到与基础变形监测过程对应的输电铁塔杆件内力时程曲线。
本发明提供的又一优选的一种基于监测基础变形的采动区输电铁塔承载力评估方法，所述步骤（5）通过确定杆件应力比，进行输电铁塔杆件承载力评估，判断输电铁塔的健康状态；其评价标准为：当杆件应力比小于1时，杆件实际内力低于设计承载力，即杆件处于安全状态；当杆件应力比等于1时，杆件实际内力刚好达到设计承载力，即杆件处于临界状态；当杆件应力比大于1时，杆件实际内力超过设计承载力，即杆件进入失效状态。
和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果
1、本发明的方法依据输电铁塔基础变形监测数据，考虑基础变形过程中输电铁塔结构大变形的影响，与传统的输电铁塔承载力评估方法相比，具有更好的适用性；
2、本发明的方法为采动区基础变形铁塔加固改造提供技术依据；
3、本发明的方法将基础变形作为一种荷载工况进行考虑，为精确的评估输电铁塔承载力奠定了良好的基础；
4、本发明的方法实现了采动区输电铁塔不均匀沉降、倾斜和水平滑移等多种基础变形类型的模拟，与传统的输电铁塔承载力评估方法相比，具有更高的精度。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明的输电铁塔有限元模型示意图；
图3为本发明的大板基础输电铁塔倾斜示意图；
图4为本发明的输电铁塔塔脚编号示意图；
图5为本发明的输电铁塔塔脚相对沉降量曲线示意图；
图6为本发明的输电铁塔塔身主材应力比曲线；
其中，1-塔身主材，2-横担主材，3-塔身斜材，4-横担斜材，5-塔脚，6-未发生倾斜的输电铁塔，7-倾斜后的输电铁塔，8-未发生倾斜的大板基础，9-倾斜后的大板基础。
具体实施方式
下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。
实施例1：
如图1-图6所示，本例的发明基于监测基础变形的采动区输电铁塔承载力评估方法，所述方法包括以下步骤：
（1）建立输电铁塔有限元模型；
（2）确定不同类型基础变形的约束条件；
（3）处理所述基础变形的监测数据；
（4）进行输电铁塔结构内力分析；
（5）对基础变形输电铁塔承载力评估。
所述步骤（1）中的输电铁塔有限元模型通过输电铁塔司令图标注的尺寸生成节点空间坐标并通过梁单元和杆单元建立输电铁塔有限元模型。
所述输电铁塔的塔身主材和横担主材采用梁单元，所述输电铁塔的塔身斜材和横担斜材采用杆单元；所述主材与斜材连接方式为铰接。
所述步骤（2）中的基础变形包括沉降、倾斜和水平滑移；通过对输电铁塔塔脚处的约束模拟基础变形，不同基础变形类型对应塔脚的约束条件如下表所示，输电铁塔空间坐标系见图2所示。
表1
| 基础变形类型 | 约束条件 |
| 沉降 | 沉降处释放UZ，非沉降处固结 |
| 倾斜 | 沉降处释放UZ和ROTY，非沉降处释放ROTY |
| 水平滑移 | 沉降处释放UX，非沉降处固结 |
表中UZ和UX为铁塔垂直方向和横线路方向平动自由度，ROTY为绕铁塔顺线路方向的转动自由度。
当所述输电铁塔塔脚发生沉降时，沉降处释放铁塔垂直方向平动自由度，非沉降处固结；当所述输电铁塔塔脚发生水平滑移时，沉降处释放铁塔横线路方向平动自由度，非沉降处固结；当所述输电铁塔塔脚发生倾斜时，沉降处释放铁塔垂直方向平动自由度和绕铁塔顺线路方向的转动自由度，非沉降处释放绕铁塔顺线路方向的转动自由度。
当每个所述输电铁塔塔脚下方设置的基础未发生变形时，约束输电铁塔塔脚节点的所有自由度；当所述基础发生水平滑移时，所述输电铁塔一侧的塔脚固定，其另外一侧塔脚水平移动；当所述基础发生不均匀沉降时，所述输电铁塔的其中一个不发生沉降，其他三个塔脚沉降量按相对沉降量确定；当设置在所有所述基础下方的大板基础发生倾斜时，所述输电铁塔的一侧塔脚固定，其另一侧塔脚均匀沉降。
所述步骤（3）采用经纬仪或全站仪对采动区输电铁塔塔脚绝对标高进行监测，以沉降量最小的某一塔脚标高为基准，计算得到各塔脚的相对沉降量，按照时间顺序对各个塔脚相对沉降量进行编号，生成横坐标为数据编号i和纵坐标为相对沉降量Δz的数据系列，其中i=1，2，3，…，n。这样可解决基础变形监测时距不等、时间不连续的问题，且数据格式方便有限元程序读入。
所述步骤（4）中当基础发生倾斜变形时，如图3所示，由于铁塔整体位移较大，产生附加力矩，此时应在有限元分析程序中打开大变形选项，考虑结构大变形（几何非线性）的影响。对于基础沉降、水平滑移等变形形式，基础变形值相对较小，结构大变形对输电铁塔承载力影响不大，可忽略不计。大风、覆冰是输电铁塔的常遇荷载，进行基础变形输电铁塔结构分析时，考虑常遇荷载与基础变形工况的组合。在常遇荷载和基础变形共同作用下，采用有限元程序进行输电铁塔受力分析，得到与基础变形监测过程对应的输电铁塔杆件内力时程曲线。
所述步骤（5）中依据步骤（4）得到的基础变形过程中输电铁塔杆件内力分析结果，按照《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T5154-2012）计算杆件应力比，进行输电铁塔杆件承载力评估，判断输电铁塔的健康状态，可为采动区基础变形铁塔加固改造提供技术依据；其评价标准为：当杆件应力比小于1时，杆件实际内力低于设计承载力，即杆件处于安全状态；当杆件应力比等于1时，杆件实际内力刚好达到设计承载力，即杆件处于临界状态；当杆件应力比大于1时，杆件实际内力超过设计承载力，即杆件进入失效状态。
以500kV双回路输电铁塔为例，该塔设计风速32m/s，四个塔脚发生不均匀沉降，其塔脚编号见图4所示。首先按照步骤1建立输电铁塔有限元模型，按照步骤2方法释放四个塔脚沉降处的UZ，其他五个自由度固定。
该塔塔脚C的沉降量最小，按照步骤3方法计算得到四个塔脚相对于塔脚C的沉降量，见图5所示。监测数据共223组，按照监测时间依次编号。
按照步骤（4）方法，在输电铁塔塔脚节点处施加不均匀沉降位移时程，在塔身节点上施加大风或覆冰等常遇荷载，采用有限元程序计算输电铁塔杆件内力。
按照步骤（5）方法，采用步骤（4）得到的杆件内力时程，计算杆件应力比时程。设计风速作用下，基础发生不均匀沉降时的输电铁塔主材应力比时程见图6所示。可以看出，有多个沉降工况塔身主材应力超过设计强度。其中，主材应力比最大值均出现在第29种沉降情况，该沉降工况的绝对沉降量不是最大值，但各塔脚的相对沉降较为明显，A、B、C、D四塔脚相对沉降量依次为50mm、10mm、10mm和0mm。
最后应该说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种基于监测基础变形的采动区输电铁塔承载力评估方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
(1)建立输电铁塔有限元模型；
(2)确定不同类型基础变形的约束条件；
(3)处理所述基础变形的监测数据；
(4)进行输电铁塔结构内力分析；
(5)对基础变形输电铁塔承载力评估；
所述输电铁塔的塔身主材和横担主材采用梁单元，所述输电铁塔的塔身斜材和横担斜材采用杆单元；所述主材与斜材连接方式为铰接；
所述步骤(2)中的基础变形包括沉降、倾斜和水平滑移；通过对输电铁塔塔脚处的约束模拟基础变形；
所述步骤(1)中的输电铁塔有限元模型通过输电铁塔司令图标注的尺寸生成节点空间坐标并通过梁单元和杆单元建立输电铁塔有限元模型；
所述步骤(5)通过确定杆件应力比，进行输电铁塔杆件承载力评估，判断输电铁塔的健康状态；其评价标准为：当杆件应力比小于1时，杆件实际内力低于设计承载力，即杆件处于安全状态；当杆件应力比等于1时，杆件实际内力刚好达到设计承载力，即杆件处于临界状态；当杆件应力比大于1时，杆件实际内力超过设计承载力，即杆件进入失效状态；
所述步骤(3)采用经纬仪或全站仪对采动区输电铁塔塔脚绝对标高进行监测，以沉降量最小的某一塔脚标高为基准，计算得到各塔脚的相对沉降量，按照时间顺序对各个塔脚相对沉降量进行编号，生成横坐标为数据编号i和纵坐标为相对沉降量z的数据系列，其中i＝1，2，3，…，n；
当所述输电铁塔塔脚发生沉降时，沉降处释放铁塔垂直方向平动自由度，非沉降处固结；当所述输电铁塔塔脚发生水平滑移时，沉降处释放铁塔横线路方向平动自由度，非沉降处固结；当所述输电铁塔塔脚发生倾斜时，沉降处释放铁塔垂直方向平动自由度和绕铁塔顺线路方向的转动自由度，非沉降处释放绕铁塔顺线路方向的转动自由度；
当每个所述输电铁塔塔脚下方设置的基础未发生变形时，约束输电铁塔塔脚节点的所有自由度；当所述基础发生水平滑移时，所述输电铁塔一侧的塔脚固定，其另外一侧塔脚水平移动；当所述基础发生不均匀沉降时，所述输电铁塔的其中一个塔脚不发生沉降，其他三个塔脚沉降量按相对沉降量确定；当设置在所有所述基础下方的大板基础发生倾斜时，所述输电铁塔的一侧塔脚固定，其另一侧塔脚均匀沉降；
所述步骤(4)中当基础发生倾斜变形时，需要考虑结构大变形的影响；当基础发生沉降、水平滑移变形时，其结构大变形对输电铁塔承载力影响忽略不计。
2.如权利要求1所述的一种基于监测基础变形的采动区输电铁塔承载力评估方法，其特征在于：在常遇荷载和基础变形共同作用下，进行输电铁塔受力分析，得到与基础变形监测过程对应的输电铁塔杆件内力时程曲线。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |