CN107201755B - 一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法。该方法包括：根据混凝土电杆的使用状态分析并确定各层土类别的弹性约束刚度；采用气弹模拟设计方法根据混凝土电杆的高度和模拟分析断面的高度，确定模拟分析中几何缩尺比和风速比的取值；采用气弹模拟设计方法确定模拟电杆的截面形状及其尺寸；采用气弹模拟设计方法根据分析结果确定模拟土弹簧的模拟参数；确定模拟电杆和模拟土弹簧的连接位置和连接方式。本发明提供的方法模拟桩土相互作用对混凝土电杆风振响应的状态，依据风洞试验模型的相似准则进行风洞试验气弹模型的设计提高台风登陆地区混凝土电杆动力荷载的计算精度，从而提高了混凝土电杆的抗风性能和抗风安全性。

Description

一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法

技术领域

本发明涉及电杆技术领域，具体而言，涉及一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法。

背景技术

混凝土电杆大多采用直埋式基础，这种基础通过埋置在土中的部分电杆提供竖向支撑力和抗倾覆力矩。在进行抗风计算时，仅考虑风对地面以上混凝土电杆的影响。随着沿海地区台风登陆频次的增多，在电压等级和安全裕度均较低的配电线路中，由于混凝土电杆的抗风性能差，混凝土电杆遭受破坏严重，导致生产生活用电的最后一公里问题无法解决。

发明内容

鉴于此，本发明提出了一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法，旨在解决现有混凝土电杆抗风性能差的问题。

一个方面，本发明提出了一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法，该方法包括如下步骤：混凝土电杆分析步骤，根据混凝土电杆的使用状态分析并确定各层土类别的弹性约束刚度；模拟欲准备步骤，采用气弹模拟设计方法根据所述混凝土电杆的高度和模拟分析断面的高度，确定模拟分析中几何缩尺比λ_L和风速比λ_v的取值。混凝土电杆模拟步骤，采用气弹模拟设计方法根据分析结果确定模拟电杆的截面形状及其尺寸；模拟土弹簧确定步骤，采用气弹模拟设计方法根据分析结果确定模拟土弹簧的模拟参数；模拟连接确定步骤，确定所述模拟电杆和所述模拟土弹簧的连接位置和连接方式。

进一步地，上述一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法，所述混凝土电杆分析步骤进一步包括如下子步骤：刚度分析子步骤，将所述混凝土电杆埋置于土内部分根据土类型分层并确定各层土类别的弹簧刚度；力学分析子步骤，考虑风荷载对所述混凝土电杆的影响，分别确定各层土类别对所述混凝土电杆第一侧(如图3所示的左侧)的弹簧刚度k_i1和该层土类别对所述混凝土电杆第二侧的弹簧刚度k_i2。

进一步地，上述一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法，所述第i层土类别的弹簧刚度k_i的计算公式为：k_i＝m_iD_ih_iz_i；其中，m_i是第i层土类别的比例系数；D_i是所述混凝土电杆位于第i层土类别中间层处的直径；h_i是第i层土类别的土层厚度；z_i是第i层土类别中间层与地面之间的距离。

进一步地，上述一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法，所述第i层土类别对所述混凝土电杆的两侧的弹簧刚度k_i1和k_i2与该层土类别的土弹簧刚度k_i之间的关系式为：k_i＝k_i1+k_i2。

进一步地，上述一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法，所述混凝土电杆模拟步骤进一步包括如下子步骤：混凝土电杆取值确定子步骤，根据所述混凝土电杆的配筋率，确定所述混凝土电杆的等效弹性模量E_p及其截面直径d_p；模拟电杆材料和截面形状确定步骤，选取所述模拟电杆的材料和截面形状，并确定所述模拟电杆的弹性模量E_m；模拟电杆截面尺寸确定步骤，根据所述模拟电杆的材料和截面形状计算所述模拟电杆的模型断面抗弯惯性矩I_m以确认所述模拟电杆的截面尺寸。

进一步地，上述一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法，所述模拟电杆的模型断面抗弯惯性矩I_m的计算公式为：

其中，I_p是待模拟件即所述混凝土电杆的抗弯惯性矩；λ_EI是抗弯刚度缩尺比。

进一步地，上述一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法，所述模拟土弹簧确定步骤进一步包括如下子步骤：模拟弹簧刚度确认子步骤，根据各层土类别对所述混凝土电杆的两侧的弹簧刚度确定各层所述模拟土弹簧的分布及其模拟弹簧刚度；模拟弹簧参数确定子步骤，根据所述模拟土弹簧模拟弹簧刚度确定所述模拟土弹簧的模拟参数。

进一步地，上述一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法，所述模拟土弹簧的模拟弹簧刚度k_mij的计算公式为：

其中，λ_EI是拉伸刚度缩尺比；E_p弹是各层土类别的等效弹性模量；E_m弹是对应的模拟土弹簧的弹性模量；x_m是各层土类别的等效变形量；x_m是对应的模拟土弹簧的变形量；k_ij是第i层土类别对所述混凝土电杆第j侧的弹簧刚度；k_mij是第i层土类别第j侧模拟土弹簧的模拟弹簧刚度。

进一步地，上述一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法，根据

和D_m＝D_o-d计算确定所述模拟土弹簧的弹簧线径d、所述模拟土弹簧的弹簧中径D_m、所述模拟土弹簧的弹簧匝数N_c和所述模拟土弹簧的弹簧外径D_o，并且，确保所述模拟土弹簧处于拉伸状态。

进一步地，上述一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法，所述模拟连接确定步骤进一步包括如下子步骤：固定框架设计子步骤，根据所述混凝土电杆的使用状态设计模拟固定框架用于通过所述模拟土弹簧与所述模拟电杆相连接；连接关系确认步骤，确定所述模拟土弹簧与所述模拟电杆和所述模拟固定框架的连接关系保证所述模拟土弹簧处于拉伸状态；连接位置确认步骤，确定所述模拟土弹簧与所述模拟电杆和所述模拟固定框架之间的相对位置。

本发明提供的一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法考虑桩土相互作用对风振响应的影响，并通过设置模拟土弹簧模拟桩土相互作用对混凝土电杆风振响应的状态，依据风洞试验模型的相似准则进行风洞试验气弹模型的设计。该方法充分考虑了桩土相互作用对混凝土电杆风振响应的影响，提高了台风登陆地区混凝土电杆动力荷载的计算精度，从而进一步提高了混凝土电杆的抗风性能和抗风安全性，同时为解决生产生活用电的最后一公里问题提供了便利条件。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的混凝土电杆分析步骤的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的混凝土电杆的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的混凝土电杆模拟步骤的流程示意图；

图5为本发明实施例提供的模拟土弹簧确定步骤的流程示意图；

图6为本发明实施例提供的模拟土弹簧和模拟电杆的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的模拟连接确定步骤的流程示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参见图1，图1为本发明实施例提供的一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法的流程示意图。如图所示，该方法包括如下步骤：

混凝土电杆分析步骤S1，根据混凝土电杆4的使用状态分析并确定各层土类别5的弹性约束刚度。

具体实施时，首先分析所需设计的混凝土电杆4需要使用的使用状态，其中，使用状态包括该混凝土电杆4的高度直径和埋置于地面的高度以及与该混凝土电杆4接触土层的土类型等。然后，根据以上分析结果计算确定各层土类别5的弹性约束刚度。

模拟欲准备步骤S2，采用气弹模拟设计方法根据混凝土电杆4的高度和模拟分析断面的高度，确定模拟分析中几何缩尺比λ_L和风速比λ_v的取值。

具体地，首先，可以根据混凝土电杆4的高度以及待模拟风洞试验断面的高度采用气弹模拟设计方法确定该模拟设计中几何缩尺比λ_L和风速比λ_v的取值。然后，根据几何缩尺比λ_L和风速比λ_v的取值计算确定气弹模型设计无量纲相似系数中比例系数n和m的取值。具体实施时，比例系数n和m的取值可以参见表1确定。

表1气弹模型设计无量纲相似系数

相似参量	相似参数	相似关系	相似参量	相似参数	相似关系
						长度	λ<sub>L</sub>	1/n	加速度	λ<sub>a</sub>	n/m<sup>2</sup>
空气密度	λ<sub>ρ</sub>	1/1	风速	λ<sub>V</sub>	1/m
						总体质量	λ<sub>m</sub>	1/n<sup>3</sup>	线位移	λ<sub>d</sub>	1/n
时间	λ<sub>t</sub>	m/n	频率	λ<sub>f</sub>	n/m
						阻尼比	λ<sub>ξ</sub>	1/1	张力	λ<sub>EF</sub>	1/n<sup>3</sup>
弯曲刚度	λ<sub>EI</sub>	1/m<sup>2</sup>n<sup>4</sup>

混凝土电杆模拟步骤S3，采用气弹模拟设计方法根据分析结果确定模拟电杆1的截面形状及其尺寸；

具体实施时，首先根据混凝土电杆4的使用状态测量确定混凝土电杆4的形状截面直径并计算混凝土电杆4的等效弹性模量，然后选择模拟电杆1的材料并查找确定模拟电杆1的抗弯惯性矩，在满足气弹模拟风洞试验中几何相似、抗弯刚度相似和拉伸刚度相似等无量纲参数的相似原则下，最后确定模拟电杆1的形状并计算确定其截面直径以建立完整的模拟电杆1。

模拟土弹簧确定步骤S4，采用气弹模拟设计方法根据分析结果确定模拟土弹簧2的模拟参数。

具体实施时，在满足气弹模拟风洞试验中几何相似、抗弯刚度相似和拉伸刚度相似等无量纲参数的相似原则下，根据各层土类别5的弹性约束刚度确定各个模拟土弹簧2的各个模拟参数。其中，模拟参数包括模拟土弹簧2的丝径、中径匝数和长度等。

模拟连接确定步骤S5，确定模拟电杆1和模拟土弹簧2的连接位置和连接方式。具体地，根据混凝土电杆4的使用状态并考虑桩土相互作用对混凝土电杆4风振响应的影响确定两者之间的连接关系以准确地模拟混凝土电杆4使用状态进行风洞试验气弹模型的设计。

其中，混凝土电杆模拟步骤S3和模拟土弹簧2确定步骤S4之间没有先后顺序。

可以看出，本实施例中一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法考虑桩土相互作用对风振响应的影响，并通过设置模拟土弹簧模拟桩土相互作用对混凝土电杆风振响应的状态，依据风洞试验模型的相似准则进行风洞试验气弹模型的设计。该方法充分考虑了桩土相互作用对混凝土电杆风振响应的影响，提高了台风登陆地区混凝土电杆动力荷载的计算精度，从而进一步提高了混凝土电杆的抗风性能和抗风安全性，同时为解决生产生活用电的最后一公里问题提供了便利条件。

参见图2和图3，在上述实施例中，混凝土电杆分析步骤S1可以进一步包括如下子步骤：

刚度分析子步骤S11，将混凝土电杆4埋置于土内部分根据土类型分层并确定各层土类别5的弹簧刚度。

具体实施时，首先从地面开始向下根据土类别5的类型分层且分别标记第1层、第2层、……、第i层、……(如图3所示)。然后，确定各层土类别5的土层厚度并查看各层土的类型查找相关资料确定各层土类别5的比例系数，同时确定各层土类别5中间层距离地面之间的距离以及各层土类别5中间层处混凝土电杆4的直径。最后，计算确定各层土类别5的弹簧刚度。其中，各层土类别5的比例系数可以参见表2确定。

表2土类别的比例系数m_i取值表

序号	土的名称	m<sub>i</sub>(kN/m<sup>4</sup>)
			1	流塑粘性土，淤泥	3000～5000
2	软塑粘性土，粉砂	5000～10000
			3	硬塑粘性土，细砂、中砂	10000～20000
4	坚硬，半坚硬粘性土，粗砂	20000～30000
			5	砾砂，角砂，圆砾，碎石，卵石	30000～80000
6	密实卵石夹粗砂，密实漂卵石	80000～120000

力学分析子步骤S12，考虑风荷载对混凝土电杆4的影响，分别确定各层土类别5对混凝土电杆4第一侧(如图3所示的左侧)的弹簧刚度k_i1和该层土类别5对混凝土电杆4第二侧(如图3所示的右侧)的弹簧刚度k_i2。具体地，充分考虑桩土相互作用对混凝土电杆4风振响应的影响，在混凝土电杆4各层土类别5分为两个并列设置于沿顺风向混凝土电杆4的两侧的两个弹性约束，记各层土类别5对混凝土电杆4第一侧(如图3所示的左侧)的弹簧刚度k_i1和该层土类别5对混凝土电杆4第二侧(如图3所示的右侧)的弹簧刚度k_i2。两个弹性约束并列设置，则第i层土类别5对混凝土电杆4的两侧的弹簧刚度k_i1和k_i2与该层土类别5的土弹簧刚度k_i之间的关系式为：k_i＝k_i1+k_i2。为进一步精确模拟混凝土电杆4的使用状态，优选地，第i层土类别5对混凝土电杆4的两侧的弹簧刚度相等即

可以看出，本实施例中通过精确地对混凝土电杆4的结构特性分析计算，为精确地进行风洞试验气弹模型的设计提供了先决条件，因此，该方法可以进一步提高了台风登陆地区混凝土电杆4动力荷载的计算精度，从而更进一步提高了混凝土电杆4的抗风性能和抗风安全性。

优选地，第i层土类别5的弹簧刚度k_i的计算公式为：k_i＝m_iD_ih_iz_i；

其中，m_i是第i层土类别5的比例系数；D_i是混凝土电杆4位于第i层土类别5中间层处的直径；h_i是第i层土类别5的土层厚度；z_i是第i层土类别5中间层与地面之间的距离。

参见图4，图4为本发明实施例提供的混凝土电杆模拟步骤的流程示意图。如图所示，混凝土电杆模拟步骤S3进一步包括如下子步骤:

混凝土电杆取值确定子步骤S31，根据混凝土电杆4的配筋率，确定混凝土电杆4的等效弹性模量E_p及其截面直径d_p。

具体地，根据混凝土电杆4的配筋率，查找相关资料确定其等效弹性模量E_p。根据混凝土电杆4的使用状态确定混凝土电杆4使用时的截面直径d_p，本领域技术人员应当理解的是，混凝土电杆4一般为圆锥形状，其截面直径d_p一般取其中间截面的直径。

模拟电杆材料和截面形状确定步骤S32，选取模拟电杆1的材料和截面形状，并确定模拟电杆1的弹性模量E_m。

具体地，首先，根据模拟电杆1的实际情况确定模拟电杆1的材料，并根据其材料查找确定模拟电杆1的弹性模量E_m。然后，根据模拟电杆1的实际情况确定模拟电杆1的截面形状。

模拟电杆截面尺寸确定步骤S33，根据模拟电杆1的材料和截面形状计算模拟电杆1的模型断面抗弯惯性矩I_m以确认模拟电杆1的截面尺寸。具体地，首先根据表1计算确定抗弯刚度缩尺比λ_EI，然后根据上述选取的模拟电杆1的弹性模量E_m和计算公式

计算确认模拟电杆1的模型断面抗弯惯性矩I_m，式中I_p是待模拟件即混凝土电杆4的抗弯惯性矩。本领域技术人员应当理解的是，混凝土电杆4的抗弯惯性矩I_p可以根据公式

计算确定。最后，根据模拟电杆1的模型断面抗弯惯性矩I_m和截面形状确定模拟电杆1的的截面尺寸。

可以看出，本实施例中通过计算确定模拟电杆1的材料、形状和尺寸，可以进一步精确模拟混凝土电杆4的使用状态以便确保气弹模拟设计的模拟精确度。

参见图4和图5，在上述实施例中，模拟土弹簧确定步骤S4可以进一步包括如下子步骤：

模拟弹簧刚度确认子步骤S41，根据各层土类别5对混凝土电杆4的两侧的弹簧刚度确定各层模拟土弹簧2的分布及其模拟弹簧刚度k_mj。

具体实施时，根据各层土类别5的弹性约束刚度可以确定各层模拟土弹簧2的模拟弹簧刚度。其中，首先，可以根据各层土类别5对混凝土电杆4的两侧的弹簧刚度确定各层模拟土弹簧2的分布，各层土类别5于其中间层处可以沿模拟电杆1的两侧(如图3所示的左右两侧)各设置一个模拟土弹簧2(如图3所示)。为放松混凝土电杆4顺风向扭转且约束横风向扭转，两个模拟土弹簧2的拉伸方向可以混凝土电杆4使用时风的方向相同。然后确定各个模拟土弹簧2的模拟弹簧刚度k_mij。其中，第i层土类别5第j侧模拟土弹簧2的模拟弹簧刚度k_mij的计算公式为：

其中，λ_EI是拉伸刚度缩尺比；E_p弹是各层土类别5的等效弹性模量；E_m弹是对应的模拟土弹簧2的弹性模量；x_p是各层土类别5的等效变形量；x_m是对应的模拟土弹簧2的变形量；k_ij是第i层土类别5对混凝土电杆4第j侧的弹簧刚度；k_mij是第i层土类别5第j侧模拟土弹簧2的模拟弹簧刚度。

模拟弹簧参数确定子步骤S42，根据模拟土弹簧2的模拟弹簧刚度确定模拟土弹簧2的模拟参数。

具体实施时，首先根据以上计算的第i层土类别5第j侧模拟土弹簧2的模拟弹簧刚度k_mij以及模拟土弹簧2的弹性模量E_m弹，根据计算公式

和D_m＝D_o-d两个计算公式，在确保模拟土弹簧2模拟使用时处于拉伸状态的状态下确定模拟土弹簧2的模拟参数即模拟土弹簧2的弹簧线径d、模拟土弹簧2的弹簧中径D_m、模拟土弹簧2的弹簧匝数N_c和模拟土弹簧2的弹簧外径D_o的取值。

可以看出，本实施例中通过计算确定模拟土弹簧的模拟参数可以进一步精确模拟混凝土电杆的使用状态以便确保气弹模拟设计的模拟精确度。

参见图6，图6为本发明实施例提供的模拟连接确定步骤的流程示意图。如图所示，在上述各实施例中，模拟连接确定步骤S5进一步包括如下子步骤：

固定框架设计子步骤S51，根据混凝土电杆4的使用状态设计模拟固定框架3用于通过模拟土弹簧2与模拟电杆1相连接。具体实施时，根据混凝土电杆4的使用状态设计选用模拟固定框架3，模拟固定框架3可以将模拟电杆1通过模拟土弹簧2连接以保证模拟土弹簧2固定连接时处于拉伸状态。

连接关系确认步骤S52，确定模拟土弹簧2与模拟电杆1和模拟固定框架3的连接关系保证模拟土弹簧2处于拉伸状态。具体实施时，选用确定模拟土弹簧2与模拟电杆1和模拟固定框架3之间合适的连接关系，确保模拟土弹簧2处于拉伸状态模拟混凝土弹簧的使用状态。

连接位置确认步骤S53，确定模拟土弹簧2与模拟电杆1和模拟固定框架3之间的相对位置。具体实施时，确定各个模拟土弹簧2的位置即置于模拟电杆1的两侧且置于相适配的位置，该位置与混凝土电杆4中各层土类别5的中间层处。三者相对位置确定后通过连接方式将三者固定连接以便模拟混凝土电杆4的使用状态。

可以看出，本实施例中对模拟土弹簧与模拟电杆和模拟固定框架的相对位置进行模拟分析，进而精确地进行风洞试验气弹模型的设计。

下面对本发明实施例提供的混凝土电杆4设计方法进行更为详细的说明。

该方法包括如下步骤：混凝土电杆分析步骤S1，将混凝土电杆4埋置于土内部分根据土类型分层并确定各层土类别5的弹簧刚度。首先，假设从地面向下数共三层土类别5分别为粉砂、中砂和半坚硬粘性土，则根据表1确定各层土类别5的比例系数分别为M₁＝7500kN/m⁴、m₂＝12500kN/m⁴和m₃＝25000kN/m⁴。根据公式k_i＝m_iD_ih_iz_i可计算得：各层土类别5的弹簧刚度分别为：k₁＝314kN/m、k₂＝1598kN/m和k₃＝5421kN/m。然后，考虑风荷载对混凝土电杆4的影响，分别确定各层土类别5对混凝土电杆4第一侧(如图3所示的左侧)的弹簧刚度k_i1和该层土类别5对混凝土电杆4第二侧(如图3所示的右侧)的弹簧刚度ki_2。第i层土类别5对混凝土电杆4的两侧的弹簧刚度相等即

因此可计算得：第一层土类别5对混凝土电杆4的两侧的弹簧刚度为：k₁₁＝k₁₂＝157kN/m，第二层土类别5对混凝土电杆4的两侧的弹簧刚度为:k₂₁＝k₂₂＝799kN/m，第三层土类别5对混凝土电杆4的两侧的弹簧刚度为：k₃₁＝k₃₂＝2710kN/m。模拟欲准备步骤S2，采用气弹模拟设计方法根据混凝土电杆4的高度即埋置于图中高度15m和模拟分析断面的高度即风洞试验断面选为2m，确定模拟分析中几何缩尺比λ_L取1:10和风速比λ_v取1:2，则根据表1确定气弹模型设计无量纲相似系数中比例系数n和m的取值分别10和2。混凝土电杆模拟步骤S3，采用气弹模拟设计方法根据分析结果确定模拟电杆1的截面形状及其尺寸，首先根据混凝土电杆4的配筋率，查找相关资料确定其等效弹性模量E_p取5.7×10⁴Mpa，其截面直径d_p一般取其中间截面的直径假设为0.27m，据此计算其模型断面抗弯惯性矩

然后确定模拟电杆1的材料采用Q235钢，则模拟电杆1的弹性模量E_m为2.06×10⁵Mpa,根据表1查的抗弯刚度缩尺比

根据计算公式计算得：模拟电杆1的模型断面抗弯惯性矩

假设其截面形状设计为圆形，则其截面直径d_m根据公式

计算为0.014m。模拟土弹簧确定步骤S4，采用气弹模拟设计方法根据分析结果确定模拟土弹簧2的模拟参数。首先根据各层土类别5对混凝土电杆4的两侧的弹簧刚度即第一层土类别5对混凝土电杆4的两侧的弹簧刚度k₁₁＝k₁₂＝157kN/m第二层土类别5对混凝土电杆4的两侧的弹簧刚度k₂₁＝k₂₂＝799kN/m第三层土类别5对混凝土电杆4的两侧的弹簧刚度k₃₁＝k₃₂＝2710kN/m确定三层中各层土类别5于其中间层处可以沿模拟电杆1的两侧各设置一个模拟土弹簧2，两个模拟土弹簧2的拉伸方向可以混凝土电杆4使用时风的方向相同，根据表1中拉伸刚度缩尺比

以及公式

确定第i层土类别5第j侧模拟土弹簧2的模拟弹簧刚度k_mij，由于各层土类别5和模拟土弹簧2的材料相同，因此，各层土类别5的等效弹性模量E_p弹和模拟土弹簧2的弹性模量E_m弹相等；根据气弹模型设计的相似原则，各层土类别5的等效变形量x_p与对应的模拟土弹簧2的变形量x_m的比值为

因此，根据

可得第i层土类别5第j侧模拟土弹簧2的模拟弹簧刚度

因此，可计算得：第1层土类别5第1侧和第2侧模拟土弹簧2的模拟弹簧刚度

第2层土类别5第1侧和第2侧模拟土弹簧2的模拟弹簧刚度

第3层土类别5第1侧和第2侧模拟土弹簧2的模拟弹簧刚度

根据计算公式

和D_m＝D_o-d两个计算公式，在确保模拟土弹簧2模拟使用时处于拉伸状态的状态下确定模拟土弹簧2的模拟参数即模拟土弹簧2的弹簧线径d、模拟土弹簧2的弹簧中径D_m、模拟土弹簧2的弹簧匝数N_c和模拟土弹簧2的弹簧外径D_o的取值。模拟连接确定步骤S5，首先根据混凝土电杆4的使用状态设计模拟固定框架3用于通过模拟土弹簧2与模拟电杆1相连接，然后确定模拟土弹簧2与模拟电杆1和模拟固定框架3的连接关系保证模拟土弹簧2处于拉伸状态，最后确定模拟土弹簧2与模拟电杆1和模拟固定框架3之间的相对位置并完成连接模拟。

综上所述，本实施例中一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法考虑桩土相互作用对风振响应的影响，并通过设置模拟土弹簧模拟桩土相互作用对混凝土电杆风振响应的状态，依据风洞试验模型的相似准则进行风洞试验气弹模型的设计。该方法充分考虑了桩土相互作用对混凝土电杆风振响应的影响，提高了台风登陆地区混凝土电杆动力荷载的计算精度，从而进一步提高了混凝土电杆的抗风性能和抗风安全性，同时为解决生产生活用电的最后一公里问题提供了便利条件。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

混凝土电杆分析步骤，根据混凝土电杆的使用状态分析并确定各层土类别的弹性约束刚度；

模拟欲准备步骤，采用气弹模拟设计方法根据所述混凝土电杆的高度和模拟分析断面的高度，确定模拟分析中几何缩尺比λ_L和风速比λ_v的取值；

混凝土电杆模拟步骤，采用气弹模拟设计方法根据分析结果确定模拟电杆的截面形状及其尺寸；

模拟土弹簧确定步骤，采用气弹模拟设计方法根据分析结果确定模拟土弹簧的模拟参数；

模拟连接确定步骤，确定所述模拟电杆和所述模拟土弹簧的连接位置和连接方式。

2.根据权利要求1所述的一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法，其特征在于，所述混凝土电杆分析步骤进一步包括如下子步骤：

刚度分析子步骤，将所述混凝土电杆埋置于土内部分根据土类型分层并确定各层土类别的弹簧刚度；

力学分析子步骤，考虑风荷载对所述混凝土电杆的影响，分别确定各层土类别对所述混凝土电杆第一侧的弹簧刚度k_i1和该层土类别对所述混凝土电杆第二侧的弹簧刚度k_i2。

3.根据权利要求2所述的一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法，其特征在于，第i层土类别的弹簧刚度k_i的计算公式为：

k_i＝m_iD_ih_iz_i；

其中，m_i是第i层土类别的比例系数；D_i是所述混凝土电杆位于第i层土类别中间层处的直径；h_i是第i层土类别的土层厚度；z_i是第i层土类别中间层与地面之间的距离。

4.根据权利要求2所述的一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法，其特征在于，

第i层土类别对所述混凝土电杆的两侧的弹簧刚度k_i1和k_i2与该层土类别的土弹簧刚度k_i之间的关系式为：

k_i＝k_i1+k_i2。

5.根据权利要求1所述的一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法，其特征在于，所述混凝土电杆模拟步骤进一步包括如下子步骤：

混凝土电杆取值确定子步骤，根据所述混凝土电杆的配筋率，确定所述混凝土电杆的等效弹性模量E_p及其截面直径d_p；

模拟电杆材料和截面形状确定步骤，选取所述模拟电杆的材料和截面形状，并确定所述模拟电杆的弹性模量E_m；

模拟电杆截面尺寸确定步骤，根据所述模拟电杆的材料和截面形状计算所述模拟电杆的模型断面抗弯惯性矩I_m以确认所述模拟电杆的截面尺寸。

6.根据权利要求5所述的一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法，其特征在于，

所述模拟电杆的模型断面抗弯惯性矩I_m的计算公式为：

其中，I_p是待模拟件即所述混凝土电杆的抗弯惯性矩；λ_EI是抗弯刚度缩尺比。

7.根据权利要求1所述的一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法，其特征在于，所述模拟土弹簧确定步骤进一步包括如下子步骤：

模拟弹簧刚度确认子步骤，根据各层土类别对所述混凝土电杆的两侧的弹簧刚度确定各层所述模拟土弹簧的分布及其模拟弹簧刚度；

模拟弹簧参数确定子步骤，根据所述模拟土弹簧模拟弹簧刚度确定所述模拟土弹簧的模拟参数。

8.根据权利要求7所述的一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法，其特征在于，所述模拟土弹簧的模拟弹簧刚度k_mij的计算公式为：

其中，λ_EA是拉伸刚度缩尺比；E_p弹是各层土类别的等效弹性模量；E_m弹是对应的模拟土弹簧的弹性模量；x_p是各层土类别的等效变形量；x_m是对应的模拟土弹簧的变形量；k_ij是第i层土类别对所述混凝土电杆第j侧的弹簧刚度；k_mij是第i层土类别第j侧模拟土弹簧的模拟弹簧刚度。

9.根据权利要求8所述的一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法，其特征在于，根据

和D_m＝D_o-d计算确定所述模拟土弹簧的弹簧线径d、所述模拟土弹簧的弹簧中径D_m、所述模拟土弹簧的弹簧匝数N_c和所述模拟土弹簧的弹簧外径D_o，并且，确保所述模拟土弹簧处于拉伸状态。

10.根据权利要求1至9任一项所述的一种考虑桩土相互作用的混凝土电杆气弹模型设计方法，其特征在于，所述模拟连接确定步骤进一步包括如下子步骤：

固定框架设计子步骤，根据所述混凝土电杆的使用状态设计模拟固定框架用于通过所述模拟土弹簧与所述模拟电杆相连接；

连接关系确认步骤，确定所述模拟土弹簧与所述模拟电杆和所述模拟固定框架的连接关系保证所述模拟土弹簧处于拉伸状态；

连接位置确认步骤，确定所述模拟土弹簧与所述模拟电杆和所述模拟固定框架之间的相对位置。

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