CN105738143A - 水泥电杆等效风载荷加载装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水泥电杆等效风载荷加载装置及实验方法。该方法通过计算水泥电杆风载荷主要包括水泥杆顶端导线风载荷、水泥杆顶端横担等附件风载荷、水泥杆杆身风载荷，每一部分的风载荷通过考虑迎风面积、风压值、形状系数等因素计算得到，基于加载力对水泥电杆所产生的弯矩与风载荷对水泥电杆所产生的弯矩相等，获取等效加载力幅值；以实际动态风载荷频谱曲线中幅值最大所对应的频点作为等效加载力的频率，从而确定了幅值和频率，就确定了等效加载力的时域变化函数。本发明旨在提供一种能够产生与某一台风等级等效的动态力加载实验方法，如此既可以实现对水泥电杆抗风能力的检测和评估，也可以进一步凝练和改进基础施工规范。

Description

水泥电杆等效风载荷加载装置及实验方法

技术领域

本发明涉及一种水泥电杆等效风载荷加载装置及实验方法。

背景技术

在电力系统中，水泥电杆是输配电重要的基础设施，有着非常广泛的应用，存量水泥电杆的数量巨大。受台风作用，水泥杆及其挂线往往会产生较大幅度的晃动，导致其地基松动。更有甚者，会发生水泥电杆断裂或水泥电杆从地基中崛起，一旦一根水泥电杆发生断裂或倾倒，相邻的水泥电杆由于受力平衡被打破，发生倾倒或断裂的可能性大大增加，因此，在沿海地区，往往会发生批量性的倒杆现象，给当地生产生活、甚至生命财产安全带来很大隐患。尽管GB396-1994等国家标准对水泥杆的埋深等施工要求有明确的规定，但土质具有多样性，现有桩基施工程序和规范也不够清晰明确。更主要的是，不同水泥电杆结构尺寸、不同挂线情况、不同地域、不同施工条件等对水泥电杆基础的施工均有不同程度的影响，需要大量对水泥电杆在台风作用的基础数据，并对这些数据进行分析，才能基于此提出对水泥电杆基础施工的操作规范。台风来袭是短暂的，靠风洞实验耗资巨大，一般的风洞实验室也很难满足如此复杂多样的实验需要，为此，有必要设计发明一种能够模拟台风对水泥电杆作用效果的加载装置，通过该加载装置可以对各种工况条件的水泥电杆进行人为加载，获取加载载荷与水泥杆基础变化的相关数据。这既可以实现对水泥电杆抗风能力的检测和评估，也可以进一步凝练和改进基础施工规范。本发明的目的在于提供一种能够产生与水泥电杆风载荷等效的动态力加载算法和加载实验装置，该算法应用于所述加载实验装置，即可产生实际的动态加载力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水泥电杆等效风载荷加载装置及实验方法，该装置及方法既可以实现对水泥电杆抗风能力的检测和评估，也可以进一步凝练和改进基础施工规范。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种水泥电杆等效风载荷加载装置，包括埋入地面地基的水泥电杆、钢丝绳、导向滑轮和动力加载装置，所述的钢丝绳一端固定连接于所述水泥电杆顶端，所述钢丝绳另一端通过导向轮连接于动力加载装置，所述导向轮与水泥杆顶端在同一水平线上，以保证导向轮与水泥电杆顶端之间的钢丝绳平行于地面；所述动力加载装置包括机架、交流伺服电机、减速机和转盘，所述机架固定于地面，所述交流伺服电机与减速机相连，所述减速机固定于机架上，所述转盘中轴与减速机输出轴连接，所述钢丝绳固定并缠绕于转盘上，同时保证导向轮与转盘之间的钢丝绳垂直于地面。

本发明还提供了一种基于上述所述水泥电杆等效风载荷加载装置的水泥电杆等效风载荷实验方法，包括如下步骤，

S01：确定水泥电杆初始结构及安装条件，包括电杆的长度、稍径和根径，电杆顶端附件的数量和尺寸，电杆顶端导线的数量和线径，档距，电杆所处位置，设计风速；

S02：设水泥电杆在风载荷作用下所受弯矩幅值为M_w，水泥电杆顶端钢丝绳着力点到地面的动态加载力臂为L₀，则动力加载装置输出给钢丝绳的等效风载荷的加载力幅值为：

S03：采集实际台风风速，每秒采集至少10次，至少采集3600组数据，采用DFT算法对采集到时域数据进行频谱分析，获取风载荷频域谱，以频域谱中幅值较高的点所对应的频率作为等效风载荷的动态加载频率，记为f；

S04：动力加载装置输出给钢丝绳实时动态力为：F＝F_等sin2πfT；

S05：计算水泥电杆所受风载荷包括水泥杆顶端导线风载荷、水泥杆顶端附件风载荷、水泥杆杆身风载荷，具体如下，

S051：计算水泥电杆杆身所受风荷载：W_s＝k₁·A_s·W₀，其中，W_s表示水泥电杆自身所受的风力，k₁是由杆塔的风振系数、构件的体型系数以及风压的高度变化系数共同决定，A_s是风压的投影面积，W₀是杆塔风荷载标准值；

S052：计算水泥电杆顶端导线所受风荷载：W_X＝k₂·d·L_P·W₀，其中，W_X表示水泥电杆导线所受风力，k₂是由风速的风压不均匀系数和导线的体形系数共同决定，d是导线的外径，L_P为水平档距，W₀是杆塔风荷载标准值；

S053：计算水泥电杆附件所受风荷载：W_α＝k₃·A_α·W₀，其中，W_α表示水泥电杆附件所受风力，k₃为附件风力计算系数，由风压高度变化系数决定，A_α是水泥电杆附件的受风面积决定；

S054：根据步骤S051至S053计算结果，计算获得水泥电杆在风力作用下的弯矩幅值：M_w＝W_s·h₁+W_X·h₂+W_α·h₃，其中，h₁是水泥电杆自身所受风载荷相对地面的等效作用点高度，h₂是水泥电杆顶部导线到地面的距离，h₃是指水泥电杆附件到地面的距离；

S06：根据步骤S05中S054获得的水泥电杆在风力作用下的弯矩幅值，代入步骤S04的公式中，即可获得动力加载装置的实时动态力。

在本发明一实施例中，所述步骤S051中k₁＝βμ_sμ_z，其中，β为风振系数，且水泥电杆高度小于30m时，β＝1.0；水泥电杆总高度在30～50m之间时，β＝1.2；水泥电杆总高度大于50m时，β＝1.5；μ_s为风荷载体形系数，且环型截面的钢筋混泥土电杆，μ_s＝0.6；矩形截面的钢筋混泥土电杆，μ_s＝1.3；μ_z为风压高度变化系数。

在本发明一实施例中，所述步骤S052中k₂＝αμ_x，其中，α为风荷载档距系数，且当风速在20m·s^-1以下时，α＝1.0；风速为20～29m·s^-1时，α＝0.85；风速为30～34m·s^-1时，α＝0.75；风速为35m·s^-1及以上时；μ_x为风荷载体型系数，且当导线直径d<17mm时，μ_x＝1.2；当d≥17mm时，μ_x＝1.1；覆冰时μ_x＝1.2。

在本发明一实施例中，所述步骤S053中k₃取0.9。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明装置及方法既可以实现对水泥电杆抗风能力的检测和评估，也可以进一步凝练和改进基础施工规范。

附图说明

图1为本发明水泥电杆等效风载荷加载装置。

图2为本发明等效风荷载计算方法流程图。

图3是风速时域采集数据与频谱图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明的一种水泥电杆等效风载荷加载装置，包括埋入地面地基的水泥电杆、钢丝绳、导向滑轮和动力加载装置，所述的钢丝绳一端固定连接于所述水泥电杆顶端，所述钢丝绳另一端通过导向轮连接于动力加载装置，所述导向轮与水泥杆顶端在同一水平线上，以保证导向轮与水泥电杆顶端之间的钢丝绳平行于地面；所述动力加载装置包括机架、交流伺服电机、减速机和转盘，所述机架固定于地面，所述交流伺服电机与减速机相连，所述减速机固定于机架上，所述转盘中轴与减速机输出轴连接，所述钢丝绳固定并缠绕于转盘上，同时保证导向轮与转盘之间的钢丝绳垂直于地面。

本发明还提供了一种基于上述所述水泥电杆等效风载荷加载装置的水泥电杆等效风载荷实验方法，包括如下步骤，

S01：确定水泥电杆初始结构及安装条件，包括电杆的长度、稍径和根径，电杆顶端附件的数量和尺寸，电杆顶端导线的数量和线径，档距，电杆所处位置，设计风速；

S02：设水泥电杆在风载荷作用下所受弯矩幅值为M_w，水泥电杆顶端钢丝绳着力点到地面的动态加载力臂为L₀，则动力加载装置输出给钢丝绳的等效风载荷的加载力幅值为：

S03：采集实际台风风速，每秒采集至少10次，至少采集3600组数据，采用DFT算法对采集到时域数据进行频谱分析，获取风载荷频域谱，以频域谱中幅值较高的点所对应的频率作为等效风载荷的动态加载频率，记为f；

S04：动力加载装置输出给钢丝绳实时动态力为：F＝F_等sin2πfT；

S05：计算水泥电杆所受风载荷包括水泥杆顶端导线风载荷、水泥杆顶端附件风载荷、水泥杆杆身风载荷，具体如下，

S051：计算水泥电杆杆身所受风荷载：W_s＝k₁·A_s·W₀，其中，W_s表示水泥电杆自身所受的风力，k₁是由杆塔的风振系数、构件的体型系数以及风压的高度变化系数共同决定，A_s是风压的投影面积，W₀是杆塔风荷载标准值；

上述步骤中k₁＝βμ_sμ_z，其中，β为风振系数，且水泥电杆高度小于30m时，β＝1.0；水泥电杆总高度在30～50m之间时，β＝1.2；水泥电杆总高度大于50m时，β＝1.5；μ_s为风荷载体形系数，且环型截面的钢筋混泥土电杆，μ_s＝0.6；矩形截面的钢筋混泥土电杆，μ_s＝1.3；μ_z为风压高度变化系数；

S052：计算水泥电杆顶端导线所受风荷载：W_X＝k₂·d·L_P·W₀，其中，W_X表示水泥电杆导线所受风力，k₂是由风速的风压不均匀系数和导线的体形系数共同决定，d是导线的外径，L_P为水平档距，W₀是杆塔风荷载标准值；

上述步骤中k₂＝αμ_x，其中，α为风荷载档距系数，且当风速在20m·s^-1以下时，α＝1.0；风速为20～29m·s^-1时，α＝0.85；风速为30～34m·s^-1时，α＝0.75；风速为35m·s^-1及以上时；μ_x为风荷载体型系数，且当导线直径d<17mm时，μ_x＝1.2；当d≥17mm时，μ_x＝1.1；覆冰时μ_x＝1.2。

S053：计算水泥电杆附件所受风荷载：W_α＝k₃·A_α·W₀，其中，W_α表示水泥电杆附件所受风力，k₃为附件风力计算系数(k₃一般取0.9)，由风压高度变化系数决定，A_α是水泥电杆附件的受风面积决定；

S054：根据步骤S051至S053计算结果，计算获得水泥电杆在风力作用下的弯矩幅值：M_w＝W_s·h₁+W_X·h₂+W_α·h₃，其中，h₁是水泥电杆自身所受风载荷相对地面的等效作用点高度，h₂是水泥电杆顶部导线到地面的距离，h₃是指水泥电杆附件到地面的距离；

S06：根据步骤S05中S054获得的水泥电杆在风力作用下的弯矩幅值，代入步骤S04的公式中，即可获得动力加载装置的实时动态力。

为便于一般技术人员了解本发明技术方案，以下对本发明方案进行具体描述。

如图1所示，本发明的水泥电杆等效风载荷加载装置，包括一端固定于地面地基4的水泥电杆3，钢丝绳2的一端固定于水泥杆3的顶端，另一端通过导向轮1延伸到转盘5，钢丝绳2固定在转盘5的沟槽内，当转盘5转动时，钢丝绳2能够在转盘5的沟槽内缠绕。转盘5由减速机6的输出轴驱动，交流伺服电机7的输出轴连接于减速机6输入端，减速机6固定于机架8上，机架8固定于地面4.交流伺服电机7通过正反转带动转盘5运动，从而拉动钢丝绳2实现给水泥电杆3施加动态力的目的。

基于此，本发明同时也提供了一种能够与水泥电杆所受风荷载等效的加载力计算算法。一般情况下，当风向与线路方向垂直时，基础所受的弯矩最大，本实施例只考虑风垂直作用的情况，具体计算步骤如图2所示。

物体所受风力作用的大小，可以通过物体迎风面积与风压的乘积获得。而风压取决于风速，有：W_o＝v²/1600，式中，v为风速，单位为m·s^-1。要实现用一种装置给水泥电杆提供外加载力，并达到与风载荷相同的作用效果，就必须首先要计算水泥电杆所受风载荷的大小。风载荷通常具有动态特性，等效加载装置也必须能够提供动态的加载力，而且动态的加载力的幅值与频率应能与动态风载荷的幅值和主频一致。因此，等效加载力的获取分为三个步骤，首先获取与动态风载荷等效的加载力幅值，其次是获取动态风载荷的主频，再次是构造动态加载力函数。

为了获取与动态风载荷幅值一致的等效加载力幅值，首先必须要计算水泥电杆所受风载荷。水泥电杆的风载荷包含以下三个部分，一是水泥电杆上所挂导线的风载荷，二是水泥电杆顶端横担、瓷瓶等附件所受的风载荷，三是水泥电杆自身所受的风载荷。这三部分风载荷最终都作用于水泥电杆杆身上，并通过水泥电杆作用于电杆地基。通常情况下，水泥电杆顶端附件所受风载荷占比相对较小。

水泥杆自身所受风载荷：

水泥杆自身所受风载荷按照W_s＝k₁·A_s·W₀计算。其中k₁＝βμ_sμ_z。式中：W_s为水泥电杆所受的风荷载；β为风振系数，按下列规定取值：水泥电杆高度小于30m时，β＝1.0；水泥电杆总高度在30～50m之间时，β＝1.2；水泥电杆总高度大于50m时，β＝1.5。μ_s为风荷载体形系数，环型截面的钢筋混泥土电杆，μ_s＝0.6；矩形截面的钢筋混泥土电杆，μ_s＝1.3。μ_z为风压高度变化系数；A_s为水泥电杆迎风面的投影面积。

这里取β＝1.0，μ_s＝0.6，μ_z取1.09，水泥电杆迎风面积A_s为梯形，为则有W_s＝1.0×0.6×1.09×(0.15+0.2487)×(9-1.6)/2×0.5625＝0.543kN。

水泥杆所挂导线的风载荷：

导线所受风载荷按照W_X＝k₂·d·L_P·W₀计算,其中k₂＝αμ_x。W_x为导线风荷载，d为所挂导线直径，L_P为水平档距。α为风荷载档距系数，查阅相关资料可得：当风速在20m·s^-1以下时，α＝1.0；风速为20～29m·s^-1时，α＝0.85；风速为30～34m·s^-1时，α＝0.75；风速为35m·s^-1及以上时，α＝0.7；μ_x为风荷载体型系数，当导线直径d<17mm时，取1.2；当d≥17mm时，取1.1；覆冰时取1.2；本次算例中d＝20mm；计算时，L_P取杆塔两侧档距之和的算术平均值；本实施例中取α＝0.75，μ_x＝1.1，则每根导线所受风载荷为W_X＝0.75×1.1×0.02×100×0.5625＝0.928kN。

水泥杆顶端附件所受风载荷：

水泥杆顶端附件所受的风载荷可以按照W_α＝k₃·A_α·W₀计算，其中：k₃为附件风力计算系数，A_α为附件迎风面积。本实施例中k₃取0.9，则每个附件所受风载荷为W_a＝0.9×0.01×0.5625＝0.005KN。

所有风载荷的作用，最终体现为对水泥电杆自身和水泥电杆地基的破坏，而这种破坏其实质是由于风载荷对电杆所产生的弯矩作用导致的。因此，要分别计算上述三种风载荷对水泥电杆所产生的弯矩大小。风载荷对水泥电杆所产生的弯矩计算：

风载荷对水泥电杆所产生的弯矩计算：

水泥电杆自身风载荷产生的弯矩：M_s＝W_sh₁，其中式中，H为水泥杆在地面以上的受风高度，D_x为水泥电杆根径，D_o为水泥电杆稍径。本实施例中H为9-1.6＝7.4m，则有

导线风载荷对水泥电杆所产生的弯矩，由于一根水泥电杆顶端可能挂有几根导线，因此，应该对所有导线对电杆所产生的弯矩进行累加，即：h_xi为所挂第i根导线到地面的高度，W_xi为第i根导线所受风载荷大小。本实施例3根导线所产生的弯矩为：

水泥电杆附件风载荷产生的弯矩，由于水泥杆顶端附件的种类、形状和数量不尽一致，可以按照进行累加，A_i为第i个附件的迎风面积。所有附件所受风载荷对水泥电杆产生的弯矩为：为第i个附件到地面的高度，W_ai为第i个附件所受风载荷大小。本实施例中，

风荷载作用下水泥电杆的总的弯矩值：M_w＝M_s+M_x+M_a＝2.73+19.488+0.105＝22.323KNm，不论水泥电杆自身还是水泥电杆地基，是否会由于风载荷的作用而发生断裂或变形，主要取决于由风载荷作用于水泥电杆而产生的总弯矩值。基于此，为了检验或验证水泥电杆及其地基是否能承受住某一风载荷的作用，可以不必等待台风的到来，而是可以设计一专门的加载装置，通过该装置对水泥电杆施加一与此相同的弯矩，即可达到相同的作用效果。为了简化加载装置的设计，加载力可以垂直作用在水泥电杆某一高度的点上，设加载高度L₀取6.5m，则所需的等效加载力幅值为

风载荷的动特性，主要体现在其风速的大小会随着时间发生变化，如图3所示为实际采集的风速时域曲线，可以看出，风速基本可以看作是以某一平均风速为基准上下波动的动态曲线，是一直流分量(代表平均值)与一交流分量(代表上下波动值)的叠加。其在频域内的变化如图所示，从中也可以看出其直流分量和交流分量成分对比。这里取交流分量的频率为f，该频率在0-1Hz之间，本实施例中取0.2Hz。

若采用正弦波力加载曲线，则根据加载力有效值可以进一步构造加载力的时域函数为：

F＝F_等sin(2πft)＝3.434sin1.256t

也就是说，用上述公式对水泥电杆按照图1所示的方法进行加载，即可与水泥电杆(包含导线和附件)所受30m/S的台风作用是基本等效的。从而可以实现利用本专利发明的装置对水泥电杆进行加载实验，即可检验和验证水泥电杆基础、电杆自身强度的目的。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种水泥电杆等效风载荷加载装置，包括埋入地面地基的水泥电杆、钢丝绳、导向滑轮和动力加载装置，其特征在于：所述的钢丝绳一端固定连接于所述水泥电杆顶端，所述钢丝绳另一端通过导向轮连接于动力加载装置，所述导向轮与水泥杆顶端在同一水平线上，以保证导向轮与水泥电杆顶端之间的钢丝绳平行于地面；所述动力加载装置包括机架、交流伺服电机、减速机和转盘，所述机架固定于地面，所述交流伺服电机与减速机相连，所述减速机固定于机架上，所述转盘中轴与减速机输出轴连接，所述钢丝绳固定并缠绕于转盘上，同时保证导向轮与转盘之间的钢丝绳垂直于地面。

2.一种基于权利要求1所述水泥电杆等效风载荷加载装置的水泥电杆等效风载荷实验方法，其特征在于：包括如下步骤，

S01：确定水泥电杆初始结构及安装条件，包括电杆的长度、稍径和根径，电杆顶端附件的数量和尺寸，电杆顶端导线的数量和线径，档距，电杆所处位置，设计风速；

S02：设水泥电杆在风载荷作用下所受弯矩幅值为M_w，水泥电杆顶端钢丝绳着力点到地面的动态加载力臂为L₀，则动力加载装置输出给钢丝绳的等效风载荷的加载力幅值为：

S03：采集实际台风风速，每秒采集至少10次，至少采集3600组数据，采用DFT算法对采集到时域数据进行频谱分析，获取风载荷频域谱，以频域谱中幅值较高的点所对应的频率作为等效风载荷的动态加载频率，记为f；

S04：动力加载装置输出给钢丝绳实时动态力为：F＝F_等sin2πfT；

S05：计算水泥电杆所受风载荷包括水泥杆顶端导线风载荷、水泥杆顶端附件风载荷、水泥杆杆身风载荷，具体如下，

S051：计算水泥电杆杆身所受风荷载：W_s＝k₁·A_s·W₀，其中，W_s表示水泥电杆自身所受的风力，k₁是由杆塔的风振系数、构件的体型系数以及风压的高度变化系数共同决定，A_s是风压的投影面积，W₀是杆塔风荷载标准值；

S052：计算水泥电杆顶端导线所受风荷载：W_X＝k₂·d·L_P·W₀，其中，W_X表示水泥电杆导线所受风力，k₂是由风速的风压不均匀系数和导线的体形系数共同决定，d是导线的外径，L_P为水平档距风荷载体型系数；

S053：计算水泥电杆附件所受风荷载：W_α＝k₃·A_α·W₀，其中，W_α表示水泥电杆附件所受风力，k₃为附件风力计算系数，由风压高度变化系数决定，A_α是水泥电杆附件的受风面积决定；

S054：根据步骤S051至S053计算结果，计算获得水泥电杆在风力作用下的弯矩幅值：M_w＝W_s·h₁+W_X·h₂+W_α·h₃，其中，h₁是水泥电杆自身所受风载荷相对地面的等效作用点高度，h₂是水泥电杆顶部导线到地面的距离，h₃是指水泥电杆附件到地面的距离；

S06：根据步骤S05中S054获得的水泥电杆在风力作用下的弯矩幅值，代入步骤S04的公式中，即可获得动力加载装置的实时动态力。

3.根据权利要求2所述的水泥电杆等效风载荷实验方法，其特征在于：所述步骤S051中k₁＝βμ_sμ_z，其中，β为风振系数，且水泥电杆高度小于30m时，β＝1.0；水泥电杆总高度在30～50m之间时，β＝1.2；水泥电杆总高度大于50m时，β＝1.5；μ_s为风荷载体形系数，且环型截面的钢筋混泥土电杆，μ_s＝0.6；矩形截面的钢筋混泥土电杆，μ_s＝1.3；μ_z为风压高度变化系数。

4.根据权利要求2所述的水泥电杆等效风载荷实验方法，其特征在于：所述步骤S052中k₂＝αμ_x，其中，α为风荷载档距系数，且当风速在20m·s^-1以下时，α＝1.0；风速为20～29m·s^-1时，α＝0.85；风速为30～34m·s^-1时，α＝0.75；风速为35m·s^-1及以上时；μ_x为风荷载体型系数，且当导线直径d<17mm时，μ_x＝1.2；当d≥17mm时，μ_x＝1.1；覆冰时μ_x＝1.2。

5.根据权利要求2所述的水泥电杆等效风载荷实验方法，其特征在于：所述步骤S053中k₃取0.9。