CN106920021B - 一种输电线路铁塔整体状态评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种输电线路铁塔整体状态评估方法，将铁塔视为一根格构式悬臂梁，由若干连续变化的铁塔横截面组成；所述方法包括：确定所述铁塔横截面的物理量；在损伤铁塔横截面的抗剪强度和抗扭强度计算时，通过对铁塔损伤横截面中的各个杆件的屈服强度的验证确定直角坐标系中的铁塔损伤横截面的横向荷载和纵向荷载；确定铁塔损伤横截面的弯矩；在损伤铁塔横截面的抗拉强度、抗压强度和抗弯强度计算时，通过对铁塔损伤横截面中各个杆件的屈服强度的验证确定直角坐标系中的铁塔损伤横截面的垂直荷载；通过所述横向荷载、纵向荷载和垂直荷载确定定义横截面承载力降低系数ω。本发明技术方案理论简单、易于理解，结合计算机使用时更加高效。

Description

一种输电线路铁塔整体状态评估方法

技术领域

本发明涉及输电线路铁塔评估领域，更具体涉及一种输电线路铁塔整体状态评估方法。

背景技术

输电线路由于长年经受荷载作用和风吹日晒、雨水侵蚀等环境作用,铁塔结构构件会出现弯曲,腐蚀等现象,对输电线路的运行构成安全隐患,有的已严重影响输电线路的安全性。因此,为加强架空输电线路的全过程管理,及时掌握输电线路铁塔安全健康水平,确保老旧输电线路铁塔的安全稳定运行,迫切需要研究开发先进适用的输电线路铁塔结构安全状态检测评价技术,以科学指导老旧输电线路铁塔的运行维护和技术改造。

发明内容

本发明的目的是提供一种输电线路铁塔整体状态评估方法，通过定义截面承载能力降低系数来评估输电线路铁塔的整体状态。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种输电线路铁塔整体状态评估方法，所述铁塔包括塔身和横担；将铁塔视为一根格构式悬臂梁，由若干连续变化的铁塔横截面组成，对铁塔横截面建立空间直角坐标系O-xyz，以铁塔横截面为xy平面；所述方法包括：

确定所述铁塔横截面的物理量；

在损伤铁塔横截面的抗剪强度和抗扭强度时，通过对铁塔损伤横截面中的各个杆件的屈服强度的验证确定直角坐标系中的铁塔损伤横截面的横向荷载和纵向荷载；

确定铁塔损伤横截面的弯矩；

在损伤铁塔横截面的抗拉强度、抗压强度和抗弯强度时，通过对铁塔损伤横截面中各个杆件的屈服强度的验证确定直角坐标系中的铁塔损伤横截面的垂直荷载；

通过所述横向荷载、纵向荷载和垂直荷载确定定义横截面承载力降低系数ω。

所述物理量包括有效截面积、截面形心位置、截面极惯性矩和截面惯性矩。

当铁塔状态完好时，高度位于Z处的其截面积为A(z)；如果横截面中部分杆件损伤退出工作，横截面有效截面积减小为A′(z)；并通过下式确定：

A(z)＝ΣA_i

A′(z)＝ΣA_i-ΣA_j

式中，A_i为未损伤杆件横截面的面积；A_j为损伤杆件横截面的面积；

损伤前铁塔横截面形心坐标为(x_c，y_c，z_c)，损伤后铁塔横截面形心坐标为(x′_c，y′_c，z′_c)；并通过下式确定：

其中，(x，y，z)为横截面坐标；

损伤前铁塔横截面极惯性矩I_ρ和损伤后铁塔横截面极惯性矩I′_ρ通过下式确定：

I_ρ＝ΣA_iρ²

I′_ρ＝ΣA_iρ′²-ΣA_jρ′²

式中，ρ为各杆件横截面形心到损伤前铁塔横截面形心的距离，ρ′为各杆件横截面形心到损伤后铁塔横截面形心的距离；

损伤前

对y轴截面惯性矩：I_y＝ΣA_ix²

对x轴截面惯性矩：I_x＝ΣA_iy²

损伤后

对y’轴截面惯性矩：I′_y＝ΣA_ix²-ΣA_jx²

对x’轴截面惯性矩：I′_x＝ΣA_iy²-ΣA_jy²。

在损伤铁塔横截面的抗剪强度和抗扭强度时，对铁塔损伤横截面中的各个杆件的屈服强度的验证为：

其中，V′(z)和V′为铁塔损伤横截面的纵向荷载；T′(z)为扭矩；fy为屈服强度；H′(z)和H′为铁塔损伤横截面的横向荷载；e_ρV和e_ρH分别为纵向荷载偏心距和横向荷载偏心距；当铁塔横截面结构形式确定时，e_ρV、e_ρH为已知条件；根据上式确定铁塔损伤横截面的横向荷载和纵向荷载。

所述铁塔损伤横截面的弯矩通过下式确定：

当90度风作用在塔身时，塔身横截面的弯矩为：

M′_x＝V′·Z，M′_y＝H′·2Z/3

当0度风作用在塔身时，铁塔损伤横截面的横向荷载H′＝0，纵向荷载V′＝V′₁+V′₂，V′₁为风荷载产生纵向力，V′₂为断线张力，M′_x＝V′₁·2Z/3+V′₂·Z，M′_y＝0；

其他角度风作用在塔身时要对风荷载进行分解，由风荷载产生横向荷载H’或纵向荷载V’，合力的作用点在高度Z的1/3处；

横担的截面的弯矩为：

M′_x＝N′·B₁，M′_y＝V′·B₂

其中，B₁为垂直荷载合力作用点到截面的水平距离，B₂为纵向荷载合力作用点到截面的水平距离，N’为铁塔损伤横截面的垂直荷载。

横截面有效面积减小后，形心位置可能发生变化，作用在横截面上的垂直荷载会产生偏心弯矩，这时按照偏心受拉和偏心受压的横截面进行计算；在损伤铁塔横截面的抗拉强度、抗压强度和抗弯强度计算时，通过下式验证对铁塔损伤横截面中各个杆件的屈服强度：

其中，N′(z)为铁塔损伤横截面的垂直荷载，M′_y(z)和M′_x(z)为铁塔损伤横截面的弯矩，I′_x(z)和I′_y(z)为铁塔损伤横截面的截面惯性矩，M′_x和M′_y为铁塔损伤横截面的弯矩，I′_x和I′_y为铁塔损伤横截面的截面惯性矩，A′为铁塔损伤横截面有效截面积；

当横截面处有螺栓孔洞存在时，A′(z)应取有效净截面积

当A′(z)＝0时，N＝0。

所述方法通过定义横截面承载力降低系数ω对输电线路铁塔整体状态进行评估；

当ω＝0时，横截面内所有杆件退出工作，铁塔将在此截面处发生倒塌；

当0＜ω＜1时，横截面内部分杆件退出工作，截面极限承载能力下降；当损伤可修复并使所有截面的ω＝1时，继续使用；当损伤不可修复时，建议拆除重建；

当ω＝1时，横截面内所有杆件均正常工作，铁塔不会在此截面处发生破坏。

所述定义横截面承载力降低系数ω通过下式确定：

每个截面的名义极限承载能力为F(z)，损伤后为F′(z)；

定义名义横截面极限承载力F：

通过对铁塔每个横截面的受力分析，最弱截面的极限承载能力将决定整基铁塔的极限承载能力；即铁塔整体的极限承载能力降低系数为ω_min。

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、本发明技术方案理论简单易于理解，结合计算机使用时更加高效。；

2、本发明技术方案能够快速有效的判断输电铁塔的整体状态；

3、本发明技术方案保证输电铁塔有效的修复，维持其的结构的稳定性；

4、本发明技术方案减小输电铁塔上的输电运行的影响；

5、本发明技术方案减小输电铁塔事故的发生。

附图说明

图1为本发明实施例的输电铁塔塔身某一节间结构示意图；

图2为图1的主视图；

图3为图1的俯视图；

图4为图1的横截面计算简图；

图5为本发明实施例的图1的截面荷载作用简图；

图6为本发明实施例的图1的截面荷载作用简图。

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：

本例的发明提供一种输电线路铁塔整体状态评估方法，如果将铁塔看作一根格构式悬臂梁，则铁塔是由无数连续变化的横截面组成，可以根据梁的设计理论对铁塔横截面进行分析。如图1所示为铁塔塔身的某一节间，如图2-3所示分别为位于该节间上的一个横截面的前视图和俯视图，图4为该横截面的计算简图。局部杆件损伤，会导致有该杆件参与的横截面刚度降低、变形增大、极限承载能力下降。当极限承载能力为0时，横截面内所有组成杆件均失效，则铁塔可能会在此处倾覆。

定义横截面承载力降低系数ω

如图5为截面荷载作用简图，弯矩M_x、M_y可以用Ne_x、Ne_y等效代替，如图6所示。

定义名义横截面极限承载力F：

每个截面的名义极限承载能力为F(z)，损伤后为F′(z)，定义横截面承载力降低系数ω(0≤ω≤1)；

当ω＝0时，横截面内所有杆件退出工作，铁塔将在此截面处发生倒塌。

当0＜ω＜1时，横截面内部分杆件退出工作，截面极限承载能力下降；当损伤可修复并使所有截面的ω＝1时，可继续使用；当损伤不可修复时，建议拆除重建。

当ω＝1时，横截面内所有杆件均正常工作，铁塔不会在此截面处发生破坏。

通过对铁塔每个横截面的受力分析，最弱截面的极限承载能力将决定整基铁塔的极限承载能力。即铁塔整体的极限承载能力降低系数为ω_min。

所述方法包括以下具体步骤：

截面物理量计算

(1)有效截面积

铁塔状态完好时，高度位于Z处的横截面积为A(z)。如果截面中部分杆件损伤退出工作，横截面有效截面积减小为A′(z)。

A(z)＝ΣA_i

A′(z)＝ΣA_i-ΣA_j

式中ΣA_j为损伤杆件截面积之和。

(2)截面形心位置

损伤前截面形心坐标为(x_c，y_c，z_c)，损伤后截面形心坐标为(x′_c，y′_c，z′_c)。

(3)截面极惯性矩I_ρ

损伤前截面极惯性矩I_ρ，损伤后截面极惯性矩I′_ρ

I_ρ＝ΣA_iρ²

I′_ρ＝ΣA_iρ′²-ΣA_jρ′²

式中ρ为各杆件截面形心到损伤前截面形心的距离，ρ′为各杆件截面形心到损伤截面形心的距离。

(4)截面惯性矩I

损伤前

对y轴：I_y＝ΣA_ix²

对x轴：I_x＝ΣA_iy²

损伤后

对y’轴：I′_y＝ΣA_ix²-ΣA_jx²

对x’轴：I′_x＝ΣA_iy²-ΣA_jy²

损伤截面抗拉、抗压、抗弯强度

截面有效面积减小后，形心位置可能发生变化，作用在截面上的垂直荷载会产生偏心弯矩，这时应该按照偏心受拉、偏心受压截面进行计算。当横截面中各杆件屈服强度不同时，应逐一验证。

(1)90度风作用时，塔身截面

M′_x＝V′·Z，M′_y＝H′·2Z/3 (5)

0度风作用时，H′＝0，纵向力V′＝V′₁+V′₂，V′₁为风荷载产生纵向力，V′₂为断线张力，M′_x＝V′₁·2Z/3+V′₂·Z，M′_y＝0。

其他角度风作用在塔身时要对风荷载进行分解，由风荷载产生横向荷载H(或纵向荷载V)，合力的作用点在高度的1/3处。

(2)横担截面

M′_x＝N′·B₁，M′_y＝V′·B₂

B₁为垂直荷载合力作用点到截面的水平距离，B₂为纵向荷载作用点到截面的水平距离。

当截面处有螺栓孔洞存在时，A′(z)应取有效净截面积

当A′(z)＝0时，N’＝0。

损伤截面抗剪、抗扭强度

当横截面中各杆件屈服强度不同时，应逐一验证。

同理

当结构形式确定时，式中e_ρV、e_ρH为已知条件。

计算横截面承载力降低系数ω

根据式(6)(7)可以求得V’、H’，代入(5)可以求得M_x’、M_y’，再代入(4)可以求得N’，最后将V’、H’、N’代入式(1)和(2)得到横截面承载力降低系数ω。

状态评估

(1)安全状态ω＝1

是指结构极限承载能力没有降低，结构完好，在近期内对输电线路铁塔的安全运行影响不大，可列入年、季度检修计划对其进行处理。

(2)损伤状态0＜ω＜1

是指结构受损，承载能力不能满足设计要求，应加强检测，尽快采取有效措施治理。

(3)失效状态ω＝0

是指结构发生较大变形或倒塌，已导致输电线路停运，应马上组织专业人员进行抢修，加固通电。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种输电线路铁塔整体状态评估方法，所述铁塔包括塔身和横担；将铁塔视为一根格构式悬臂梁，其由若干连续变化的铁塔横截面组成；对铁塔横截面建立空间直角坐标系O-xyz，以铁塔横截面为xy平面；其特征在于：所述方法包括：

确定所述铁塔横截面的物理量；

在损伤铁塔横截面的抗剪强度和抗扭强度计算时，通过对铁塔损伤横截面中的各个杆件的屈服强度的验证确定直角坐标系中的铁塔损伤横截面的横向荷载和纵向荷载；

确定铁塔损伤横截面的弯矩；

在损伤铁塔横截面的抗拉强度、抗压强度和抗弯强度计算时，通过对铁塔损伤横截面中各个杆件的屈服强度的验证确定直角坐标系中的铁塔损伤横截面的垂直荷载；

通过所述横向荷载、纵向荷载和垂直荷载确定定义横截面承载力降低系数ω；

所述物理量包括有效截面积、截面形心位置、截面极惯性矩和截面惯性矩；

当铁塔状态完好时，高度位于Z处的其截面积为A(z)；如果横截面中部分杆件损伤退出工作，横截面有效截面积减小为A′(z)；并通过下式确定：

A(z)＝∑A_i

A′(z)＝∑A_i-∑A_j

式中，A_i为未损伤杆件横截面的面积；A_j为损伤杆件横截面的面积；

损伤前铁塔横截面形心坐标为(x_c，y_c，z_c)，损伤后铁塔横截面形心坐标为(x′_c，y′_c，z′_c)；并通过下式确定：

其中，(x，y，z)为横截面坐标；

损伤前铁塔横截面极惯性矩I_ρ和损伤后铁塔横截面极惯性矩I′_ρ通过下式确定：

I_ρ＝∑A_iρ²

I′_ρ＝∑A_iρ′²-∑A_jρ′²

式中，ρ为各杆件横截面形心到损伤前铁塔横截面形心的距离，ρ′为各杆件横截面形心到损伤后铁塔横截面形心的距离；

损伤前

对y轴截面惯性矩：I_y＝∑A_ix²

对x轴截面惯性矩：I_x＝∑A_iy²

损伤后

对y’轴截面惯性矩：I′_y＝∑A_ix²-∑A_jx²

对x’轴截面惯性矩：I′_x＝∑A_iy²-∑A_jy²；

在损伤铁塔横截面的抗剪强度和抗扭强度计算时，对铁塔损伤横截面中的各个杆件的屈服强度的验证为：

其中，V′(z)和V′为铁塔损伤横截面的纵向荷载；T′(z)为扭矩；fy为屈服强度；H(z)和H′为铁塔损伤横截面的横向荷载；e_ρV和e_ρH分别为纵向荷载偏心距和横向荷载偏心距；当铁塔横截面结构形式确定时，e_ρV、e_ρH为已知条件；根据上式确定铁塔损伤横截面的横向荷载和纵向荷载；

横截面有效面积减小后，形心位置可能发生变化，作用在横截面上的垂直荷载会产生偏心弯矩，这时按照偏心受拉和偏心受压的横截面进行计算；在损伤铁塔横截面的抗拉强度、抗压强度和抗弯强度时，通过下式验证对铁塔损伤横截面中各个杆件的屈服强度：

其中，N′(z)为铁塔损伤横截面的垂直荷载，M′_y(z)和M′_x(z)为铁塔损伤横截面的弯矩，I′_x(z)和I′_y(z)为铁塔损伤横截面的截面惯性矩；

当横截面处有螺栓孔洞存在时，A′(z)应取有效净截面积A′_n(z)；

当A′(z)＝0时，N’＝0。

2.如权利要求1所述的一种输电线路铁塔整体状态评估方法，其特征在于：所述铁塔损伤横截面的弯矩通过下式确定：

当90度风作用在塔身时，塔身横截面的弯矩为：

M′_x＝V′·Z，M′_y＝H′·2Z/3

当0度风作用在塔身时，铁塔损伤横截面的横向荷载H′＝0，纵向荷载V′＝V′₁+V′₂，V′₁为风荷载产生纵向力，V′₂为断线张力，M′_x＝V′₁·2Z/3+V′₂·Z，M′_y＝0；

其他角度风作用在塔身时要对风荷载进行分解，由风荷载产生横向荷载H’或纵向荷载V’，合力的作用点在高度Z的1/3处；

横担的截面的弯矩为：

M′_x＝N′·B₁，M′_y＝V′·B₂

其中，B₁为垂直荷载合力作用点到截面的水平距离，B₂为纵向荷载作用点到截面的水平距离，N’为铁塔损伤横截面的垂直荷载。

3.如权利要求1所述的一种输电线路铁塔整体状态评估方法，其特征在于：所述方法通过定义横截面承载力降低系数ω对输电线路铁塔整体状态进行评估；

当ω＝0时，横截面内所有杆件退出工作，铁塔将在此截面处发生倒塌；

当0＜ω＜1时，横截面内部分杆件退出工作，截面极限承载能力下降；当损伤可修复并使所有截面的ω＝1时，继续使用；当损伤不可修复时，建议拆除重建；

当ω＝1时，横截面内所有杆件均正常工作，铁塔不会在此截面处发生破坏。

4.如权利要求3所述的一种输电线路铁塔整体状态评估方法，其特征在于：所述定义横截面承载力降低系数ω通过下式确定：

每个截面的名义极限承载能力为F(z)，损伤后为F′(z)；

定义名义横截面极限承载力F：

5.如权利要求3或4所述的一种输电线路铁塔整体状态评估方法，其特征在于：通过对铁塔每个横截面的受力分析，最弱截面的极限承载能力将决定整基铁塔的极限承载能力；即铁塔整体的极限承载能力降低系数为ω_min。

Images