CN112395752B - 基于螺栓节点刚度的输电铁塔位移计算系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于螺栓节点刚度的输电铁塔位移计算系统及方法，包括以下步骤：A.在桁梁混合模型中设置初始轴向刚度，通过模型计算获得单元轴力；B.根据获得的单元轴力和杆件参数计算获得杆件弹性变形量；C.根据杆件弹性变形量和螺栓连接间隙滑移计算获得杆件总变形量；D.将杆件总变形量带入修正模型，计算得到考虑螺栓滑移的轴向刚度折减系数；E.根据轴向刚度折减系数修正轴向刚度并重新带入桁梁混合模型，计算获得更新后的单元轴力；F.判断是否满足收敛标准；如果不满足则重新执行步骤B‑E，直至更新后的单元满足收敛标准。本发明获取更加接近实际位移的计算位移，为真型塔设计提供参考。
Description
技术领域
本发明涉及输电铁塔技术领域，具体涉及一种基于螺栓节点刚度的输电铁塔位移计算方法。
背景技术
输电塔是电力输送系统的重要组成部分，在运行过程中若受损严重导致倒塌，将可能发生电力工程安全事故，对社会经济产生不利影响。
螺栓连接在输电铁塔结构中普遍采用，目前大部分输电铁塔采用型钢组合而成，各构件之间采用螺栓连接。螺栓孔直径通常比螺栓直径要大1～2mm，输电铁塔中螺栓节点有数量众多、螺栓直径小、连接件薄、预紧力小、镀锌钢表面摩擦系数低等特点。当塔架承受一定载荷后，在螺栓连接部位发生连接件与被连接件之间的相对移动，即产生螺栓滑移，大量实验以及真型塔试验表明输电铁塔中的螺栓连接滑移现象十分普遍。
国内新建特高压输电线路以及国外新设计铁塔一般均要求进行真型塔试验，设计单位在采用常规铁塔设计软件(如道亨、Smarttower等)进行铁塔计算与结构图设计，后于试验基地进行真型塔试验。据总结不同真型塔试验数据，真型塔在大风工况下的实际位移比理论计算位移大约50％～80％，而断线工况下的差异超过100％，对于窄基塔，上述差异甚至达到150％～250％，二者差异问题成为困扰设计人员的一个难题。导致上述位移差异的影响因素较多，如螺栓滑移、节点刚度、铁塔加工误差、螺栓预紧力以等。
可以看到，传统铁塔计算软件无法解决理论计算位移与试验位移之间差异过大的问题。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种基于螺栓节点刚度的输电铁塔位移计算方法，获取更加接近实际位移的计算位移，为真型塔设计提供参考。
本发明提供了一种基于螺栓节点刚度的输电铁塔位移计算系统，其特征在于包括杆件参数获取模块、初始值设定模块、单元轴力计算模块、弹性变形量计算模块、螺栓间隙滑移输入模块、杆件总变形量计算模块、刚度修正模块、收敛标准判断模块；
其中，杆件参数获取模块用于获取待计算的杆件参数并将获得的杆件参数发送至弹性变量计算模块；
初始值设定模块用于获取初始轴向刚度并将获得的数据发送至单元轴力计算模块；
单元轴力计算模块根据初始轴向刚度和桁梁混合模型计算获得单元轴力，并将计算生成的数据发送至弹性变量计算模块和收敛标准判断模块；
弹性变形量计算模块根据接收到的杆件参数和单元轴力数据计算获得杆件变形量，并将计算生成的数据发送至杆件变形量计算模块；
螺栓间隙滑移输入模块用于获取螺栓连接间隙滑移的数据，并将其发送至杆件变形量计算模块；
杆件总变形量计算模块根据接收到的杆件变形量和螺栓连接间隙滑移的数据计算获得杆件总变形量，并将计算生成的数据发送至修正模块；
刚度修正模块根据杆件总变形量的数据计算获得考虑螺栓滑移的轴向刚度折减系数，并将计算生成的数据发送至单元轴力计算模块；
单元轴力计算模块根据轴向刚度折减系数修正轴向刚度并重新带入桁梁混合模型，计算获得更新后的单元轴力并将计算生成的数据发送至收敛标准判断模块；
收敛标准判断模块根据初次计算获得的单元轴力和更新后的单元轴力判断是否符合收敛标准。
本发明还提供了一种基于螺栓节点刚度的输电铁塔位移计算方法，其特征在于包括以下步骤：
A.在桁梁混合模型中设置初始轴向刚度，通过模型计算获得单元轴力；
B.根据获得的单元轴力和杆件参数计算获得杆件弹性变形量；
C.根据杆件弹性变形量和螺栓连接间隙滑移计算获得杆件总变形量；
D.将杆件总变形量带入修正模型，计算获取考虑螺栓滑移的轴向刚度折减系数；
E.根据轴向刚度折减系数修正轴向刚度并重新带入桁梁混合模型，计算获得更新后的单元轴力；
F.判断是否满足收敛标准；如果不满足则重新执行步骤B-E，直至收敛；如果满足则输出更新后的单元轴力和杆件总变形量。
上述技术方案中，所述步骤D中的修正模型如下：
其中，Δ为杆件总变形量，FN表示桁架在荷载作用下各杆件的内力，
表示施加单位力后各杆件的内力，E表示考虑节点刚度的各杆件的弹性模量，E0为未考虑节点刚度的各杆件的弹性模量，ξ表示有滑移杆件的轴向刚度折减系数，A表示杆件的横截面积，l表示杆件长度。
上述技术方案中，步骤E中采用如下公式修正轴向刚度K：
其中，E为考虑节点刚度的各杆件的弹性模量，E0为未考虑节点刚度的各杆件的弹性模量。
上述技术方案中，步骤B中采用如下公式计算杆件弹性变形量：
其中，Δe为杆件的弹性变形量；FN为杆件轴力；l为杆长；E0为弹性模量；A为杆件的横截面面积。
上述技术方案中，所述步骤C中螺栓连接间隙滑移值可考虑为螺栓孔径与螺栓直径的差值。
上述技术方案中，所述桁梁混合模型将铁塔简化为静定的平面桁架，将因构造要求而设置的多余杆件略计，如辅助材可视为零杆，而对于横隔材可只考虑承受扭矩。
上述技术方案中，所述桁梁混合模型将动力或冲击荷载视为静力荷载，在计算中引入动力系数和冲击系数。
上述技术方案中，所述桁梁混合模型中，拉线的拉线铁塔在计算中不考虑因挠度而产生的附加弯矩；铁塔圆部与基础的连接假定为不动铰接。
上述技术方案中，所述桁梁混合模型中，构件的节点为理想，所有构件的轴线都是在同一平面内的直线，并在节点上交于节点中心，构件只承受轴向力；主材应力应将正、侧两面的应力相叠加。
本发明还提供了一种基于螺栓节点刚度的输电铁塔位移计算方法的非暂时性计算机只读介质，包括：
存储在其中的指令，其中所述指令在由一个或以上处理器执行时，使所述一个或以上处理器执行以下的方法包括：
A.在桁梁混合模型中设置初始轴向刚度，通过模型计算获得单元轴力；
B.根据获得的单元轴力和杆件参数计算获得杆件弹性变形量；
C.根据杆件弹性变形量和螺栓连接间隙滑移计算获得杆件总变形量；
D.将杆件总变形量带入修正模型，计算获得考虑螺栓滑移的轴向刚度折减系数；
E.根据轴向刚度折减系数修正轴向刚度并重新带入桁梁混合模型，计算获得更新后的单元轴力；
F.判断是否满足收敛标准；如果不满足则重新执行步骤B-E，直至收敛；如果满足则输出更新后的单元轴力和杆件总变形量
本发明通过考虑螺栓滑移与螺栓节点刚度，建立考虑节点刚度的单位力法修正模型，进行铁塔位移计算，不同工况下计算位移与试验位移差异可控制在15％以内，克服现有技术中存在的计算位移与试验位移差异过大问题，以提高真型塔试验成功率。
附图说明
图1为本发明的系统框架图；图2为本发明的流程示意图；图3为铁塔模型中的节点位置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
本发明提供了一种基于螺栓节点刚度的输电铁塔位移计算系统，其特征在于包括杆件参数获取模块、初始值设定模块、单元轴力计算模块、弹性变量计算模块、螺栓间隙滑移输入模块、杆件变形量计算模块、修正模块、收敛标准判断模块；其中，杆件参数获取模块用于获取待计算的杆件参数并将获得的杆件参数发送至弹性变量计算模块；
初始值设定模块用于获取初始轴向刚度并将获得的数据发送至单元轴力计算模块；
单元轴力计算模块根据初始轴向刚度和桁梁混合模型计算获得单元轴力，并将计算生成的数据发送至弹性变量计算模块和收敛标准判断模块；
弹性变形量计算模块根据接收到的杆件参数和单元轴力数据计算获得杆件变形量，并将计算生成的数据发送至杆件变形量计算模块；
螺栓间隙滑移输入模块用于获取螺栓连接间隙滑移的数据，并将其发送至杆件变形量计算模块；
杆件总变形量计算模块根据接收到的杆件变形量和螺栓连接间隙滑移的数据计算获得杆件总变形量，并将计算生成的数据发送至修正模块；
刚度修正模块根据杆件总变形量的数据计算获得考虑螺栓滑移的轴向刚度折减系数，并将计算生成的数据发送至单元轴力计算模块；
单元轴力计算模块根据轴向刚度折减系数修正轴向刚度并重新带入桁梁混合模型，计算获得更新后的单元轴力并将计算生成的数据发送至收敛标准判断模块；
收敛标准判断模块根据初次计算获得的单元轴力和更新后的单元轴力判断是否符合收敛标准。
如图2所示，本发明提供了一种基于螺栓节点刚度的输电铁塔位移计算方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，在桁梁混合模型中设置初始轴向刚度，通过模型计算获得单元轴力。
输电线路铁塔属于空间桁架结构，在大多数情况下为超静定结构。为了简化计算，一般在桁梁混合模型中作如下假定:
①将空间桁架简化为平面桁架，这是因为铁塔上所承受的荷载(纵向或横向)在铁塔的正、侧面上基本上是对称的；
②构件的节点为理想，所有构件的轴线都是在同一平面内的直线，并在节点上交于节点中心，这种体系的构件只承受轴向力；
③为了将铁塔简化为静定的平面桁架，一般可将因构造要求而设置的多余杆件略计，如辅助材可视为零杆，而对于横隔材可只考虑承受扭矩；
④打拉线的拉线铁塔，由于本身的刚度很大，一般在计算中不考虑因挠度而产生的附加弯矩
⑤铁塔圆部与基础的连接，假定为不动铰接
⑥将动力或冲击荷载视为静力荷载，在计算中引入动力系数和冲击系数
⑦采用平面桁架进行计算时，主材应力应将正、侧两面的应力相叠加。
第二步，根据获得的单元轴力和杆件参数计算获得杆件弹性变形量；其中，
式中，Δe为杆件的弹性变形；FN为杆件轴力；l为杆长；E0为弹性模量；A为杆件的横截面面积。
第三步，根据杆件弹性变形量和螺栓连接间隙滑移计算获得杆件总变形量；假设杆件处于弹性状态，则杆件总的变形量Δ可以看成是螺栓连接滑移量△s与杆件弹性变形量△e之和，即：
Δ＝Δs+Δe (1.1)
其中，螺栓连接滑移量可考虑为螺栓孔径与螺栓直径的差值。
第四步，将杆件总变形量带入修正模型，计算获得考虑螺栓滑移的轴向刚度折减系数；
其中考虑节点刚度的单位力法的修正模型为
式中，Δ表示桁架在荷载作用下的施加单位力位置上的位移，FN表示桁架在荷载作用下各杆件的内力，
表示施加单位力后各杆件的内力，E表示考虑节点刚度的各杆件的弹性模量，E0为未考虑节点刚度的各杆件的弹性模量，ξ表示有滑移杆件的轴向刚度折减系数，A表示横截面积，l表示杆件长度。
第五步.根据轴向刚度折减系数修正轴向刚度并重新带入桁梁混合模型，计算获得更新后的单元轴力。
对于存在螺栓连接滑移的杆件而言，其轴向刚度可表示为
将式1.2代入式1.3可得
令
则
式中，ξ的含义的就是有螺栓滑移的轴向刚度折减系数。
考虑螺栓节点影响的杆件刚度K为
其中，
化简可得
式中，E为考虑节点刚度的各杆件的弹性模量，E0为未考虑节点刚度的各杆件的弹性模量。
第六步，判断是否满足收敛标准；如果不满足则重新执行步骤B-E，直至收敛；如果满足则输出更新后的单元轴力和杆件总变形量。
本具体实施例针对ZMP2特高压直线铁塔，在90°大风工况、60°大风工况以及最大覆冰工况三种典型工况进行分析。通过对ZMP2特高压直线铁塔真型试验与单位力法修正模型计算所得的节点位移进行对比分析，验证了本发明的适用性。
为了研究螺栓连接滑移对输电铁塔变形的影响，将不同载荷水平下的三种方法的节点位移进行了对比，表1为节点编号与节点高度对应关系。图3为节点在铁塔模型中的具体位置，图中编号1-6分别指不同的节点。
表1节点编号与节点高度对应关系表
在90°大风工况下，通过表2可以看出，单位力法修正模型的相对误差小于单位力法相对误差，证明了单位力法在计算输电铁塔节点位移时需要考虑节点刚度。从表中还可以看出，真型塔试验所得位移随着高度的增加，各节点位移随之增大。而单位力法修正模型计算出的位移，随着高度的增加，各节点位移也随之增大，与真型塔试验结论一致，验证了本发明的修正模型的适用性。此外，各节点采用本发明的修正模型的相对误差都小于15％。通过对单位力法、单位力法修正模型计算出的位移和真型塔试验得到的位移进行比较，验证了本发明的修正模型比单位力法更加符合实际。因此，在90°大风工况下，采用本发明进行计算是适用的。
表2在90°大风工况下位移对比分析
在60°大风工况下，通过表3可以看出，采用本发明的相对误差小于单位力法相对误差，证明了单位力法在计算输电铁塔节点位移时需要考虑节点刚度。从表2中还可以看出，真型塔试验所得位移随着高度的增加，各节点位移随之增大。而单位力法修正模型计算出的位移，随着高度的增加，各节点位移也随之增大，与真型塔试验结论一致，验证了本发明的适用性。此外，各节点采用发明的相对误差都小于15％。通过对单位力法、本发明的修正模型计算出的位移和真型塔试验得到的位移进行比较，验证了采用本发明比单位力法更加符合实际。因此，在60°大风工况下，本发明是适用的。
表3在60°大风工况下位移对比分析
在最大覆冰工况下，通过表4可以看出，本发明的相对误差小于单位力法相对误差，证明了单位力法在计算输电铁塔节点位移时需要考虑节点刚度。从表4中还可以看出，真型塔试验所得位移随着高度的增加，各节点位移先增大后减小。而本发明计算出的位移，随着高度的增加，各节点位移也先增大后减小，与真型塔试验结论一致，验证了本发明的适用性。通过对单位力法、本发明计算出的位移和真型塔试验得到的位移进行比较，验证了本发明比单位力法更加符合实际。因此，在最大覆冰工况下，本发明是适用的。
表4在最大覆冰工况下位移对比分析
通过真型塔试验来验证单位力法修正模型的适用性。通过对输电铁塔的90°大风工况、60°大风工况以及最大覆冰工况三种典型工况进行分析，通过单位力法和本发明求得其在设计荷载下的节点位移，并与真型塔试验数据进行对比，可以看出单位力法未考虑节点刚度计算的位移与实际位移偏差较大。因此考虑单位力法计算输电铁塔节点位移需要考虑节点刚度。本发明计算得到的位移与实际位移相比，相对误差较小，解决了现有技术中计算结果不准确的问题，进一步保证了输电铁塔施工的稳定性和安全性。
本发明提供了一种基于螺栓节点刚度的输电铁塔位移计算方法的非暂时性计算机只读介质，包括：
存储在其中的指令，其中所述指令在由一个或以上处理器执行时，使所述一个或以上处理器执行以下的方法包括：
A.在桁梁混合模型中设置初始轴向刚度，通过模型计算获得单元轴力；
B.根据获得的单元轴力和杆件参数计算获得杆件弹性变形量；
C.根据杆件弹性变形量和螺栓连接间隙滑移计算获得杆件总变形量；
D.将杆件总变形量带入修正模型，计算获得考虑螺栓滑移的轴向刚度折减系数；
E.根据轴向刚度折减系数修正轴向刚度并重新带入桁梁混合模型，计算获得更新后的单元轴力；
F.判断是否满足收敛标准；如果不满足则重新执行步骤B-E，直至收敛；如果满足则输出更新后的单元轴力和杆件总变形量
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (9)
1.一种基于螺栓节点刚度的输电铁塔位移计算系统，其特征在于包括杆件参数获取模块、初始值设定模块、单元轴力计算模块、弹性变形量计算模块、螺栓间隙滑移输入模块、杆件变形量计算模块、刚度修正模块、收敛标准判断模块；
其中，杆件参数获取模块用于获取待计算的杆件参数并将获得的杆件参数发送至弹性变形量计算模块；
初始值设定模块用于获取初始轴向刚度并将获得的数据发送至单元轴力计算模块；
单元轴力计算模块根据初始轴向刚度和桁梁混合模型计算获得单元轴力，并将计算生成的数据发送至弹性变形量计算模块和收敛标准判断模块；
弹性变形量计算模块根据接收到的杆件参数和单元轴力数据计算获得杆件变形量，并将计算生成的数据发送至杆件变形量计算模块；
螺栓间隙滑移输入模块用于获取螺栓连接间隙滑移的数据，并将其发送至杆件变形量计算模块；
杆件变形量计算模块根据接收到的杆件变形量和螺栓连接间隙滑移的数据计算获得杆件总变形量，并将计算生成的数据发送至修正模块；修正模型如下：
其中，Δ为杆件总变形量，FN表示桁架在荷载作用下各杆件的内力，
N 表示施加单位力
后各杆件的内力，E表示考虑节点刚度的各杆件的弹性模量，E0为未考虑节点刚度的各杆件
的弹性模量，ξ表示有滑移杆件的轴向刚度折减系数，A表示杆件的横截面积，l表示杆件长
度；
修正模块根据杆件总变形量的数据计算获得考虑螺栓滑移的轴向刚度折减系数，并将计算生成的数据发送至单元轴力计算模块；
单元轴力计算模块根据轴向刚度折减系数修正轴向刚度并重新带入桁梁混合模型，计算获得更新后的单元轴力并将计算生成的数据发送至收敛标准判断模块；
收敛标准判断模块根据初次计算获得的单元轴力和更新后的单元轴力判断是否符合收敛标准。
2.一种基于螺栓节点刚度的输电铁塔位移计算方法，其特征在于包括以下步骤：
A.在桁梁混合模型中设置初始轴向刚度，通过模型计算获得单元轴力；
B.根据获得的单元轴力和杆件参数计算获得杆件弹性变形量；
C.根据杆件弹性变形量和螺栓连接间隙滑移计算获得杆件总变形量；
D.将杆件总变形量带入修正模型，计算获得考虑螺栓滑移的轴向刚度折减系数；所述修正模型如下：
其中，Δ为杆件总变形量，FN表示桁架在荷载作用下各杆件的内力，
N 表示施加单位力
后各杆件的内力，E表示考虑节点刚度的各杆件的弹性模量，E0为未考虑节点刚度的各杆件
的弹性模量，ξ表示有滑移杆件的轴向刚度折减系数，A表示杆件的横截面积，l表示杆件长
度；
E.根据轴向刚度折减系数修正轴向刚度并重新带入桁梁混合模型，计算获得更新后的单元轴力；
F.根据初次计算获得的单元轴力和更新后的单元轴力判断是否满足收敛标准；如果不满足则重新执行步骤B-E，直至收敛；如果满足则输出更新后的单元轴力和杆件总变形量。
3.根据权利要求2所述的基于螺栓节点刚度的输电铁塔位移计算方法，其特征在于步骤E中采用如下公式修正轴向刚度K：
其中，E为考虑节点刚度的各杆件的弹性模量，E0为未考虑节点刚度的各杆件的弹性模量。
4.根据权利要求3所述的基于螺栓节点刚度的输电铁塔位移计算方法，其特征在于所述步骤C中螺栓连接间隙滑移值为螺栓孔径与螺栓直径的差值。
5.根据权利要求2所述的基于螺栓节点刚度的输电铁塔位移计算方法，其特征在于所述桁梁混合模型将铁塔简化为静定的平面桁架，辅助材视为零杆，横隔材只考虑承受扭矩。
6.根据权利要求2所述的基于螺栓节点刚度的输电铁塔位移计算方法，其特征在于所述桁梁混合模型将动力或冲击荷载视为静力荷载，在计算中引入动力系数和冲击系数。
7.根据权利要求2所述的基于螺栓节点刚度的输电铁塔位移计算方法，其特征在于所述桁梁混合模型中，拉线铁塔在计算中不考虑因挠度而产生的附加弯矩；铁塔圆部与基础的连接假定为不动铰接。
8.根据权利要求2所述的基于螺栓节点刚度的输电铁塔位移计算方法，其特征在于所述桁梁混合模型中，构件的节点为理想，所有构件的轴线都是在同一平面内的直线，并在节点上交于节点中心，构件只承受轴向力；主材应力将正、侧两面的应力相叠加。
9.一种基于螺栓节点刚度的输电铁塔位移计算方法的非暂时性计算机只读介质，包括：
存储在其中的指令，其中所述指令在由一个或以上处理器执行时，使所述一个或以上处理器执行如权利要求2所述的基于螺栓节点刚度的输电铁塔位移计算方法。
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