CN112507414B - 评估下击暴流下输电铁塔安全性的方法、系统及存储介质 - Google Patents

评估下击暴流下输电铁塔安全性的方法、系统及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种评估下击暴流下输电铁塔安全性的方法、系统及存储介质，方法包括以下步骤：根据输电铁塔设计信息，划分输电铁塔塔段，设置风荷载模拟点，建立输电铁塔三维有限元数值模型，在模型文件中预设载荷信息文件接口；确定下击暴流风场结构，完成对风场结构各组成成分的模拟，遍历风荷载模拟点，生成各风荷载模拟点处的风速以及风荷载；将载荷导入输电铁塔三维数值模型中，对铁塔进行瞬态动力分析，根据分析结果计算输电铁塔结构整体风振系数；根据天气预报数据，生成下击暴流参数，计算各点时变平均风，用结构整体风振系数将平均风放大，得到等效静力风荷载，对铁塔进行准静态分析，利用分析结果评估输电铁塔结构安全性。

Description

评估下击暴流下输电铁塔安全性的方法、系统及存储介质
技术领域
本发明属于输电技术领域，具体涉及一种输电铁塔结构的安全评估方法。具体是下击暴流天气下输电铁塔力学响应分析以及快速评估安全状态的方法、系统及存储介质。
背景技术
近年来，我国的科学技术和国民经济迅猛发展，国家对工业建设投入了大量人力物力，而电力工业更是其中的重要环节，倍受国家关注。输电铁塔结构是由不同规格角钢连接而成的空间体系，不同输电铁塔的高度也不尽相同，从几十米到几百米不等。输电铁塔体系结构复杂，对它的研究也较一般的建筑结构难度更大，且现今的输电线路规模增大，研究输电铁塔结构的安全性，特别是在极端天气下的健康状况是非常有必要的。
下击暴流作为极端天气中的一种，能产生破坏力极强的瞬时大风，对于输电铁塔这种高耸柔性结构，极易受其影响，会严重影响输电线路的安全运行。输电线路作为国家的大型生命线工程，一旦发生倒塌破坏事故，会导致国家经济受损，人民生命财产安全受到威胁。而工程中对下击暴流风场结构的确定方法不够具体，且缺乏较为简洁快速的铁塔抗下击暴流的设计的安全评估方法。因此，有必要发明一种有效的方法能够从理论上确定下击暴流的风场结构，从技术上快速解决输电铁塔结构的力学响应分析以及安全状态评估的问题，从而提高铁塔抗强对流天气的快速应急管理能力。
发明内容
发明目的：本发明目的在于能够提供一种评估下击暴流下输电铁塔安全性的方法，利用该方法能够快速分析在下击暴流这种强对流天气下输电铁塔结构的风振响应，实现对输电铁塔结构的快速安全分析，满足实际的工程应用。
技术方案：一种评估下击暴流下输电铁塔安全性的方法，包括以下步骤：
1)根据输电铁塔设计信息，设置风荷载模拟点，建立输电铁塔三维有限元数值模型；
2)确定下击暴流风场结构，完成对风场结构各组成成分的模拟，遍历风荷载模拟点，生成各风荷载模拟点处的风速以及风荷载；
3)将载荷信息文件对接至输电铁塔三维有限元数值模型中，对铁塔进行瞬态动力分析，根据分析结果计算输电铁塔结构整体风振系数；
4)根据天气预报数据，生成下击暴流参数，并对铁塔进行准静态分析；
5)利用准静态分析结果对输电铁塔结构进行快速安全评估。
进一步地，步骤1)包括以下具体步骤：
11)根据实际输电线路中铁塔的设计信息，将输电铁塔划分为不同的塔段以及不同的分块区域，把每个分块区域简化为一个模拟点进行风荷载模拟，以模拟点的风速代替所在分块区域所有节点的风速，所述输电铁塔设计信息包括输电铁塔构件布局、结构尺寸、材质、牌号、数量等信息；
12)根据实际输电铁塔的材料设计信息，利用有限元软件对输电铁塔进行三维有限元数值建模，采用梁单元对输电铁塔杆件进行模拟，单元之间的连接方式为固接；对梁单元进行设置，分别设置铁塔杆件的参数，包括杨氏模量、泊松比、密度、截面形状等；
13)将建立完成的输电铁塔三维有限元数值模型保存成为模型文件，并在文件中预留接口与载荷信息文件对接。
进一步地，步骤2)包括以下具体步骤：
a)在下击暴流风场结构中，某一时刻(t)任一高度(z)处的风速U(z,t)表达为时变平均风
Figure GDA0003746369380000031
和脉动风速u(z,t)之和：
Figure GDA0003746369380000032
Figure GDA0003746369380000033
Figure GDA0003746369380000034
Figure GDA0003746369380000035
Figure GDA0003746369380000036
式中：V(z)为竖向风剖面平均风速；f(t)为最大值为1的时间函数，描述输电铁塔处竖向风速剖面随时间的变化；Vc(t)是输电铁塔处合成水平风速；Vt为风暴中心移动速度，Vr(r,t)为径向风剖面风速，θ为输电线路与径向风剖面风速的夹角，α是合成水平风速与输电线路的夹角，r为输电铁塔至风暴中心距离；
b)竖向风剖面V(z)为：
Figure GDA0003746369380000037
式中，z为风载荷模拟点处的高度，Vmax为下击暴流的最大水平风速，Zmax为最大水平风速的产生高度；
径向风剖面Vr(r,t)为：
Figure GDA0003746369380000041
式中：Vr,max最大径向风速，rmax径向风速最大出距雷暴中心的距离，r观测点距雷暴中心的距离，Rr雷暴径向特征尺寸，T为时间常数；
c)脉动风速可表达为：
Figure GDA0003746369380000042
式中：
Figure GDA0003746369380000043
为调值函数，为时变平均风乘以经验系数，经验系数取0.25，k(x,y,z,t)为服从标准正态分布的高斯随机过程；
d)将各模拟点的时变平均风与脉动风相结合，计算出各点的下击暴流合成风速，并通过下式确定输电铁塔上各模拟点的下击暴流风荷载：
Figure GDA0003746369380000044
Figure GDA0003746369380000045
式中，Fx(t)为模拟点x方向的风荷载，N；Fy(t)模拟点y方向的风荷载，N；V(t)为下击暴流风速，m/s；ρ为空气密度，取1.226kg/m3；Cx、Cy分别为x、y方向阻力系数，角钢取1.3，导线、地线、悬索、绝缘子以及拉线取1.0；Ax和Ay分别为x、y方向输电铁塔各节点所辖的迎风面积。
进一步地，步骤3)包括以下具体步骤：
A)将各模拟点的风荷载信息存储于载荷信息文件之中，把载荷信息文件对接于模型文件接口，完成动力荷载对输电铁塔三维有限元数值模型的施加，并采用瞬态动力分析法计算输电铁塔的风振响应；
B)遍历所有模拟点，计算各点位移风振系数，再计算输电铁塔的整体位移风振系数
Figure GDA0003746369380000051
计算公式如下：
Figure GDA0003746369380000052
Figure GDA0003746369380000053
式中：
Figure GDA0003746369380000054
和
Figure GDA0003746369380000055
分别为时变平均风荷载作用下的节点位移最大值和合成风荷载作用下节点位移最大值，βdi为节点i处位移风振系数；
Figure GDA0003746369380000056
为平均风作用下该节点的位移平均值，m；μ为峰值保证因子，取为3.0；σdi脉动风作用下该节点的位移均方根值，m。
进一步地，步骤4)包括以下具体步骤：
41)根据天气预报数据，编制程序生成下击暴流参数，将天气数据转换成荷载数据，把天气预报中的最大风速Vmax作为风速数据导入步骤2)b)中得到下击暴流风场结构竖向风剖面，根据风场结构模型及参数，生成下击暴流时变平均风(见步骤2)b))及风荷载(见步骤2)d))；
42)根据步骤3)B)计算得到结构整体风振系数，再将所述结构整体风振系数与步骤2)d)计算得到的下击暴流风荷载相乘得出等效静力风荷载，将载荷信息文件与模型文件接口对接，并利用有限元软件对铁塔进行准静态分析。
进一步，步骤5)包括以下具体步骤：
根据准静态分析结果，对输电铁塔塔顶位移进行校核；遍历整个下击暴流过程，计算最不利时刻关键主材杆件的应力值，选择应力最大的杆件，计算该杆件在整个下击暴流过程的应力，完成对输电铁塔的安全评估。
一种评估下击暴流下输电铁塔安全性的系统，包括以下功能模块：
模型建立模块：根据输电铁塔设计信息，划分输电铁塔塔段，设置风荷载模拟点，建立输电铁塔三维有限元数值模型，在模型文件中预设载荷信息文件接口；
风荷载生成模块：确定下击暴流风场结构，完成对风场结构各组成成分的模拟，遍历风荷载模拟点，生成各风荷载模拟点处的风速以及风荷载；
风振系数计算模块：将载荷信息文件对接至输电铁塔三维有限元数值模型中，对铁塔进行强动力分析，根据分析结果计算输电铁塔结构整体风振系数；
准静态分析模块：根据天气预报数据，生成下击暴流参数，并对铁塔进行准静态分析；
安全评估模块：利用准静态分析结果对输电铁塔结构进行快速安全评估。
一种评估下击暴流下输电铁塔安全性的系统的存储介质，存储以下功能模块：
模型建立模块：根据输电铁塔设计信息，划分输电铁塔塔段，设置风荷载模拟点，建立输电铁塔三维有限元数值模型，在模型文件中预设载荷信息文件接口；
风荷载生成模块：确定下击暴流风场结构，完成对风场结构各组成成分的模拟，遍历风荷载模拟点，生成各风荷载模拟点处的风速以及风荷载；
风振系数计算模块：将载荷信息文件对接至输电铁塔三维有限元数值模型中，对铁塔进行强动力分析，根据分析结果计算输电铁塔结构整体风振系数；
准静态分析模块：根据天气预报数据，生成下击暴流参数，并对铁塔进行准静态分析；
安全评估模块：利用准静态分析结果对输电铁塔结构进行安全评估。
本发明所达到的有益效果：本发明的方法根据输电铁塔设计信息，划分输电铁塔塔段，设置风荷载模拟点，建立输电铁塔三维有限元数值模型，在模型文件中预设载荷信息文件接口；确定下击暴流风场结构，完成对风场结构各组成成分的模拟，遍历风荷载模拟点，生成各风荷载模拟点处的风速以及风荷载；将载荷导入输电铁塔三维数值模型中，对铁塔进行强动力分析，根据分析结果计算输电铁塔结构整体风振系数；根据天气预报数据，生成下击暴流参数，计算各点时变平均风，用结构整体风振系数将平均风放大，得到等效静力风荷载，对铁塔进行准静态分析，利用分析结果评估输电铁塔结构安全性。本发明的方法可用于强对流天气预测路线覆盖范围的大量铁塔快速计算，提高铁塔抗强对流天气的快速应急管理能力。
附图说明
图1为本发明一实施例中输电铁塔单线模型的示意图；
图2为输电铁塔塔段示意图；
图3为输电铁塔风荷载模拟点示意图；
图4为输电铁塔有限元数值模型的示意图；
图5为输电铁塔不同高度处时变平均风的风速时程曲线图；
图6为输电铁塔塔顶位移时程图；
图7为输电铁塔最不利时刻关键位置主材应力云图；
图8为输电铁塔最不利主材杆件应力时程图；
图9为实施例1输电铁塔主材应力时程响应对比图；
图10为实施例1输电铁塔塔顶位移时程响应对比图；
图11为实施例2输电铁塔杆塔结构示意图；
图12为实施例2输电铁塔主材应力时程响应对比图；
图13为实施例2输电铁塔塔顶位移时程响应对比图；
图14为本发明的评估下击暴流下输电铁塔安全性方法的流程图。
具体实施方式
实施例1
以下结合某输电线路中的一个典型输电铁塔对本发明方案作进一步说明，所结合的输电铁塔(见图1)杆塔类型为直线塔，塔高57米，呼高40m，评估该输电铁塔在下击暴流下的安全状态，包括以下步骤1)—步骤5)：
1)根据输电铁塔设计信息，设置风荷载模拟点，建立输电铁塔三维有限元数值模型。
所述输电铁塔设计信息中包括且不限于输电铁塔的材料汇总图。输电铁塔的材料汇总图中包括构件结构尺寸、材料牌号内容，根据该内容，能够将输电铁塔划分为不同的塔段和不同的分块区域。
11)根据实际输电线路中铁塔的材料汇总图，将输电铁塔划分为不同的塔段以及不同的分块区域，把每个分块区域简化为一个模拟点进行风荷载的模拟，以风荷载模拟点风速代替所在分块区域所有节点的风速。
12)根据实际输电线路中铁塔的材料汇总图，利用有限元软件对输电铁塔进行三维有限元数值建模，采用梁单元对铁塔杆件进行模拟，单元之间的连接方式为固接。对梁单元进行设置，分别设置杆件的杨氏模量、泊松比、密度、截面形状等。
13)将建立完成的输电铁塔三维有限元数值模型保存成为模型文件，并在文件中预留接口与载荷信息文件对接。
如图3-4所示，本实施例中，将输电铁塔以横隔层为分界划分成12个塔段(见图2)，以及26个不同的分块区域，把每个分块区域简化为一个模拟点进行风速模拟。利用有限元软件建立输电铁塔三维有限元数值模型，约束模型底部所有自由度，将模型命令流存储于模型文件之中，在文件中预留与载荷信息文件对接的接口。
2)确定下击暴流风场结构，完成对风场结构各组成成分的模拟，遍历风荷载模拟点，生成各风荷载模拟点处的风速以及风荷载。
21)在下击暴流风场结构中，任一高度处的风速U可以表达为时变平均风
Figure GDA0003746369380000091
和脉动风速u之和：
Figure GDA0003746369380000092
Figure GDA0003746369380000093
Figure GDA0003746369380000094
Figure GDA0003746369380000095
Figure GDA0003746369380000096
式中：
Figure GDA0003746369380000097
为时变平均风，u为脉动风速，V(z)为竖向风剖面平均风速，f(t)为最大值为1的时间函数。Vt为风暴中心移动速度，Vr(r,t)为径向风剖面风速。θ为风暴中心移动速度与径向风剖面风速的夹角。
22)竖向风剖面为：
Figure GDA0003746369380000098
式中，z为风载荷模拟点处高度，Vmax为下击暴流的最大水平风速，Zmax为最大水平风速的产生高度。
径向风剖面表达为：
Figure GDA0003746369380000101
式中：Vr,max最大径向风速，rmax径向风速最大出距雷暴中心的距离，r观测点(构筑物)距雷暴中心的距离，Rr雷暴径向特征尺寸，T为时间常数。
23)脉动风速可表达为：
Figure GDA0003746369380000102
式中：
Figure GDA0003746369380000103
为调值函数，为时变平均风乘以经验系数，经验系数取0.25。k(x,y,z,t)为服从标准正态分布的高斯随机过程函数，x、y、z分别为风荷载模拟点位置坐标，t为时刻。
24)将各模拟点的时变平均风与脉动风相结合，计算出各点的下击暴流合成风速，并通过下式确定输电铁塔上各模拟点的下击暴流风荷载：
Figure GDA0003746369380000104
Figure GDA0003746369380000105
式中，ρ为空气密度，取1.226kg/m3；Cx、Cy分别为x、y方向阻力系数，角钢取1.3，导线、地线、悬索、绝缘子以及拉线取1.0；Ax和Ay分别为x、y方向输电铁塔各节点所辖的迎风面积。
在本实施例中，假设y方向为顺导、地线方向，x向为垂直于导、地线方向，先模拟各风速模拟点位置处的时变平均风、脉动风以及下击暴流合成风速，计算各模拟点所辖的迎风面积，再根据风荷载计算式计算出每个风速模拟点的风荷载。本案例给出输电铁塔不同高度处时变平均风的风速时程曲线(见图5)，根据脉动表达式计算出脉动风后，将平均风速与脉动风速相加，即可得到下击暴流合成风速。表1给出了时变平均风风速的模拟参数。
表1：时变平均风风速的模拟参数
Figure GDA0003746369380000111
3)将载荷信息文件对接至输电铁塔三维数值模型中，对铁塔进行强动力分析，根据分析结果计算输电铁塔结构整体风振系数。
31)将各模拟点的风荷载信息存储于载荷信息文件之中，把载荷信息文件对接于模型文件接口，完成动力荷载对输电铁塔三维有限元数值模型的施加，并采用瞬态动力分析法计算输电铁塔的风振响应。
32)遍历所有模拟点，计算各点位移风振系数，再计算输电铁塔的整体位移风振系数
Figure GDA0003746369380000112
计算公式如下：
Figure GDA0003746369380000113
Figure GDA0003746369380000114
式中：
Figure GDA0003746369380000115
和
Figure GDA0003746369380000116
分别为时变平均风荷载作用下的节点位移最大值和合成风荷载作用下节点位移最大值，βdi为节点i处位移风振系数；
Figure GDA0003746369380000117
为平均风作用下该节点的位移平均值，m；μ为峰值保证因子，取为3.0；σdi脉动风作用下该节点的位移均方根值，m。
在本实施例中，将载荷信息存储于文件之中，并与模型文件的接口对接，对铁塔模型施加风荷载。先计算输电铁塔在时变平均风作用下的响应，得到各节点在平均风作用下的位移平均值，再计算输电铁塔在脉动风作用下的响应，得到各节点在脉动风作用下的位移均方根值。根据节点i的
Figure GDA0003746369380000121
和σdi即可计算出该节点的位移风振系数βdi，再根据各节点的位移风振系数计算出输电铁塔结构的整体风振系数。最后提取出输电铁塔在下击暴流合成风速作用下的风振响应结果，以备用。
4)根据天气预报数据，生成下击暴流参数，计算各点时变平均风，用结构整体风振系数将平均风放大，得到等效静力风荷载，并对铁塔进行准静态分析。
41)根据天气预报数据生成下击暴流参数，将天气数据转换成荷载数据。根据风场结构模型及参数，生成下击暴流时变平均风。
42)利用结构整体风振系数将平均风放大，计算等效静力风荷载，将载荷信息文件与模型文件接口对接，对铁塔进行准静态分析。
在本案例中，根据预先获得的天气预报数据，通过程序转换成荷载数据，将载荷信息文件与模型文件对接，完成对输电铁塔等效静力风荷载的施加，计算铁塔的风振响应，并提取出该工况下的风振响应结果，以备用。
5)利用准静态分析结果对输电铁塔结构的安全评估。
I)根据准静态分析结果，对输电铁塔塔顶位移进行校核；遍历整个下击暴流过程，计算得出最不利时刻关键主材杆件的应力值，选择响应最大的杆件，计算该杆件在整个下击暴流过程的应力，完成对输电铁塔的快速安全评估。
在本实施例中，根据有限元软件对输电铁塔结构的准静态分析结果，计算输电铁塔的塔顶位移时程(见图6)；遍历整个下击暴流过程，计算最不利时刻关键主材杆件的应力值(见图7)，选择响应最大的杆件，计算该杆件在整个下击暴流过程的应力(见图8)，根据规范完成输电铁塔安全状态的评估。此外，比较了在下击暴流作用和等效静风荷载作用下的主材应力与塔顶位移时程图对比(见图9和图10)，验证了该方法的准确性。
一种评估下击暴流下输电铁塔安全性的系统，包括以下功能模块：
模型建立模块：根据输电铁塔设计信息，设置风荷载模拟点，建立输电铁塔三维有限元数值模型；
风荷载生成模块：确定下击暴流风场结构，完成对风场结构各组成成分的模拟，遍历风荷载模拟点，生成各风荷载模拟点处的风速以及风荷载；
风振系数计算模块：将载荷信息文件对接至输电铁塔三维有限元数值模型中，对铁塔进行强动力分析，根据分析结果计算输电铁塔结构整体风振系数；
准静态分析模块：根据天气预报数据，生成下击暴流参数，计算各点时变平均风，用结构整体风振系数将平均风放大，得到等效静力风荷载，并对铁塔进行准静态分析；
安全评估模块：利用准静态分析结果对输电铁塔结构进行安全评估。
一种评估下击暴流下输电铁塔安全性的系统的存储介质，存储以下功能模块：
模型建立模块：根据输电铁塔设计信息，设置风荷载模拟点，建立输电铁塔三维有限元数值模型；
风荷载生成模块：确定下击暴流风场结构，完成对风场结构各组成成分的模拟，遍历风荷载模拟点，生成各风荷载模拟点处的风速以及风荷载；
风振系数计算模块：将载荷信息文件对接至输电铁塔三维有限元数值模型中，对铁塔进行强动力分析，根据分析结果计算输电铁塔结构整体风振系数；
准静态分析模块：根据天气预报数据，生成下击暴流参数，计算各点时变平均风，用结构整体风振系数将平均风放大，得到等效静力风荷载，并对铁塔进行准静态分析；
快速安全评估模块：利用准静态分析结果对输电铁塔结构进行快速安全评估。
实施例2
针对另外一条输电线路中的一个典型输电铁塔进行分析，所结合的输电铁塔(见图11)杆塔类型为直线塔，塔高38.7米，呼高28m。根据有限元软件对输电铁塔结构的准静态分析结果，比较了在下击暴流作用和等效静风荷载作用下的最不利主材应力与塔顶位移时程图对比(见图12和图13)，同样验证了该方法的准确性。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种评估下击暴流下输电铁塔安全性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)根据输电铁塔设计信息，设置风荷载模拟点，建立输电铁塔三维有限元数值模型；
步骤2)确定下击暴流风场结构，完成对风场结构各组成成分的模拟，遍历风荷载模拟点，生成各风荷载模拟点处的风速以及风荷载，包括以下具体步骤：
a)在下击暴流风场结构中，时刻t任一高度z处的风速U(z,t)表达为时变平均风
Figure FDA0003760567030000011
和脉动风速u(z,t)之和：
Figure FDA0003760567030000012
Figure FDA0003760567030000013
Figure FDA0003760567030000014
Figure FDA0003760567030000015
Figure FDA0003760567030000016
式中：V(z)为竖向风剖面平均风速；f(t)为最大值为1的时间函数，描述输电铁塔处竖向风速剖面随时间的变化；Vc(t)是输电铁塔处合成水平风速；Vt为风暴中心移动速度，Vr(r,t)为径向风剖面风速，θ为输电线路与径向风剖面风速的夹角，α是合成水平风速与输电线路的夹角，r为输电铁塔至风暴中心距离；
b)竖向风剖面表述为：
Figure FDA0003760567030000017
式中，z为风载荷模拟点处的高度，Vmax为下击暴流的最大水平风速，Zmax为最大水平风速的产生高度；
径向风剖面模型Vr(r,t)为：
Figure FDA0003760567030000021
式中：Vr,max为最大径向风速，rmax为径向风速最大出距雷暴中心的距离，r为观测点距雷暴中心的距离，Rr为雷暴径向特征尺寸，T为时间常数；
c)脉动风速表达为：
Figure FDA0003760567030000022
式中：
Figure FDA0003760567030000023
为调值函数，为时变平均风乘以经验系数，k(x,y,z,t)为服从标准正态分布的高斯随机过程函数，x、y、z分别为风荷载模拟点位置坐标，t为时刻；
d)将各模拟点的时变平均风与脉动风相结合，计算出各点的下击暴流合成风速，并通过下式确定输电铁塔上各模拟点的下击暴流风荷载：
Figure FDA0003760567030000024
Figure FDA0003760567030000025
式中，Fx(t)为模拟点x方向的风荷载；Fy(t)模拟点y方向的风荷载；V(t)为下击暴流风速；ρ为空气密度；Cx、Cy分别为x、y方向阻力系数；Ax和Ay分别为x、y方向输电铁塔各节点所辖的迎风面积；
步骤3)将载荷信息文件对接至输电铁塔三维有限元数值模型中，对输电铁塔进行瞬态动力分析，根据分析结果计算输电铁塔结构整体风振系数，包括以下具体步骤：
A)将各模拟点的风荷载信息存储于载荷信息文件之中，把载荷信息文件对接于模型文件接口，完成动力荷载对输电铁塔三维有限元数值模型的施加，并采用瞬态动力分析法计算输电铁塔的风振响应；
B)遍历所有模拟点，计算各点位移风振系数，再计算输电铁塔的整体位移风振系数
Figure FDA0003760567030000031
计算公式如下：
Figure FDA0003760567030000032
Figure FDA0003760567030000033
式中：
Figure FDA0003760567030000034
和
Figure FDA0003760567030000035
分别为时变平均风荷载作用下的节点位移最大值和合成风荷载作用下节点位移最大值，βdi为节点i处位移风振系数；
Figure FDA0003760567030000036
为平均风作用下该节点的位移平均值；μ为峰值保证因子；σdi脉动风作用下该节点的位移均方根值；
步骤4)根据天气预报数据，生成下击暴流参数，并对铁塔进行准静态分析，包括以下具体步骤：
41)根据天气预报数据生成下击暴流参数，将天气数据转换成荷载数据，把天气预报中的最大风速Vmax作为风速数据导入步骤2)中的步骤b)中得到下击暴流风场结构竖向风剖面，根据风场结构模型及参数，生成下击暴流时变平均风及风荷载；
42)根据步骤3)中的步骤B)计算得到结构整体风振系数，再将所述结构整体风振系数与步骤2)中的步骤d)计算得到的下击暴流风荷载相乘得出等效静力风荷载，将载荷信息文件与模型文件接口对接，并利用有限元软件对铁塔进行准静态分析；
步骤5)利用准静态分析结果对输电铁塔结构进行安全评估，包括以下过程：
根据准静态分析结果，对输电铁塔塔顶位移进行校核；遍历整个下击暴流过程，计算输电铁塔主材杆件的应力值，选择应力最大的杆件，计算该杆件在整个下击暴流过程的应力，完成对输电铁塔的安全评估。
2.根据权利要求1所述的评估下击暴流下输电铁塔安全性的方法，其特征在于：在步骤1)中，具体包括以下步骤：
11)根据实际输电铁塔的设计信息，将输电铁塔划分为多个塔段以及多个分块区域，把每个分块区域简化为一个模拟点进行风荷载模拟，以风荷载模拟点的风速代替所在分块区域所有节点的风速；
12)根据实际输电铁塔的设计信息，利用有限元软件对输电铁塔进行三维有限元数值建模，采用梁单元对输电铁塔杆件进行模拟，所述梁单元之间的连接方式为固接；对梁单元进行设置，分别设置所述输电铁塔杆件的参数；
13)将建立完成的所述输电铁塔三维有限元数值模型保存成为模型文件，并在文件中预设载荷信息文件接口以与载荷信息文件对接。
3.一种评估下击暴流下输电铁塔安全性的系统，其特征在于，包括以下功能模块：
模型建立模块：根据输电铁塔设计信息，设置风荷载模拟点，建立输电铁塔三维有限元数值模型；
风荷载生成模块：确定下击暴流风场结构，完成对风场结构各组成成分的模拟，遍历风荷载模拟点，生成各风荷载模拟点处的风速以及风荷载，包括以下具体步骤：
a)在下击暴流风场结构中，时刻t任一高度z处的风速U(z,t)表达为时变平均风
Figure FDA0003760567030000041
和脉动风速u(z,t)之和：
Figure FDA0003760567030000042
Figure FDA0003760567030000043
Figure FDA0003760567030000051
Figure FDA0003760567030000052
Figure FDA0003760567030000053
式中：V(z)为竖向风剖面平均风速；f(t)为最大值为1的时间函数，描述输电铁塔处竖向风速剖面随时间的变化；Vc(t)是输电铁塔处合成水平风速；Vt为风暴中心移动速度，Vr(r,t)为径向风剖面风速，θ为输电线路与径向风剖面风速的夹角，α是合成水平风速与输电线路的夹角，r为输电铁塔至风暴中心距离；
b)竖向风剖面表述为：
Figure FDA0003760567030000054
式中，z为风载荷模拟点处的高度，Vmax为下击暴流的最大水平风速，Zmax为最大水平风速的产生高度；
径向风剖面模型Vr(r,t)为：
Figure FDA0003760567030000055
式中：Vr,max为最大径向风速，rmax为径向风速最大出距雷暴中心的距离，r为观测点距雷暴中心的距离，Rr为雷暴径向特征尺寸，T为时间常数；
c)脉动风速表达为：
Figure FDA0003760567030000056
式中：
Figure FDA0003760567030000061
为调值函数，为时变平均风乘以经验系数，k(x,y,z,t)为服从标准正态分布的高斯随机过程函数，x、y、z分别为风荷载模拟点位置坐标，t为时刻；
d)将各模拟点的时变平均风与脉动风相结合，计算出各点的下击暴流合成风速，并通过下式确定输电铁塔上各模拟点的下击暴流风荷载：
Figure FDA0003760567030000062
Figure FDA0003760567030000063
式中，Fx(t)为模拟点x方向的风荷载；Fy(t)模拟点y方向的风荷载；V(t)为下击暴流风速；ρ为空气密度；Cx、Cy分别为x、y方向阻力系数；Ax和Ay分别为x、y方向输电铁塔各节点所辖的迎风面积；
风振系数计算模块：将载荷信息文件对接至输电铁塔三维有限元数值模型中，对输电铁塔进行瞬态动力分析，根据分析结果计算输电铁塔结构整体风振系数，包括以下具体步骤：
A)将各模拟点的风荷载信息存储于载荷信息文件之中，把载荷信息文件对接于模型文件接口，完成动力荷载对输电铁塔三维有限元数值模型的施加，并采用瞬态动力分析法计算输电铁塔的风振响应；
B)遍历所有模拟点，计算各点位移风振系数，再计算输电铁塔的整体位移风振系数
Figure FDA0003760567030000064
计算公式如下：
Figure FDA0003760567030000065
Figure FDA0003760567030000066
式中：
Figure FDA0003760567030000067
和
Figure FDA0003760567030000068
分别为时变平均风荷载作用下的节点位移最大值和合成风荷载作用下节点位移最大值，βdi为节点i处位移风振系数；
Figure FDA0003760567030000071
为平均风作用下该节点的位移平均值；μ为峰值保证因子；σdi脉动风作用下该节点的位移均方根值；
准静态分析模块：根据天气预报数据，生成下击暴流参数，并对铁塔进行准静态分析，包括以下步骤：
41)根据天气预报数据生成下击暴流参数，将天气数据转换成荷载数据，把天气预报中的最大风速Vmax作为风速数据导入风荷载生成模块中的步骤b)中得到下击暴流风场结构竖向风剖面，根据风场结构模型及参数，生成下击暴流时变平均风及风荷载；
42)根据风振系数计算模块中的步骤B)计算得到结构整体风振系数，再将所述结构整体风振系数与风荷载生成模块中的步骤d)计算得到的下击暴流风荷载相乘得出等效静力风荷载，将载荷信息文件与模型文件接口对接，并利用有限元软件对铁塔进行准静态分析；
安全评估模块：利用准静态分析结果对输电铁塔结构进行安全评估，包括以下过程：
根据准静态分析结果，对输电铁塔塔顶位移进行校核；遍历整个下击暴流过程，计算输电铁塔主材杆件的应力值，选择应力最大的杆件，计算该杆件在整个下击暴流过程的应力，完成对输电铁塔的安全评估。
4.一种评估下击暴流下输电铁塔安全性的存储介质，存储以下功能模块：
模型建立模块：根据输电铁塔设计信息，设置风荷载模拟点，建立输电铁塔三维有限元数值模型；
风荷载生成模块：确定下击暴流风场结构，完成对风场结构各组成成分的模拟，遍历风荷载模拟点，生成各风荷载模拟点处的风速以及风荷载，包括以下具体步骤：
a)在下击暴流风场结构中，时刻t任一高度z处的风速U(z,t)表达为时变平均风
Figure FDA0003760567030000081
和脉动风速u(z,t)之和：
Figure FDA0003760567030000082
Figure FDA0003760567030000083
Figure FDA0003760567030000084
Figure FDA0003760567030000085
Figure FDA0003760567030000086
式中：V(z)为竖向风剖面平均风速；f(t)为最大值为1的时间函数，描述输电铁塔处竖向风速剖面随时间的变化；Vc(t)是输电铁塔处合成水平风速；Vt为风暴中心移动速度，Vr(r,t)为径向风剖面风速，θ为输电线路与径向风剖面风速的夹角，α是合成水平风速与输电线路的夹角，r为输电铁塔至风暴中心距离；
b)竖向风剖面表述为：
Figure FDA0003760567030000087
式中，z为风载荷模拟点处的高度，Vmax为下击暴流的最大水平风速，Zmax为最大水平风速的产生高度；
径向风剖面模型Vr(r,t)为：
Figure FDA0003760567030000088
式中：Vr,max为最大径向风速，rmax为径向风速最大出距雷暴中心的距离，r为观测点距雷暴中心的距离，Rr为雷暴径向特征尺寸，T为时间常数；
c)脉动风速表达为：
Figure FDA0003760567030000091
式中：
Figure FDA0003760567030000092
为调值函数，为时变平均风乘以经验系数，k(x,y,z,t)为服从标准正态分布的高斯随机过程函数，x、y、z分别为风荷载模拟点位置坐标，t为时刻；
d)将各模拟点的时变平均风与脉动风相结合，计算出各点的下击暴流合成风速，并通过下式确定输电铁塔上各模拟点的下击暴流风荷载：
Figure FDA0003760567030000093
Figure FDA0003760567030000094
式中，Fx(t)为模拟点x方向的风荷载；Fy(t)模拟点y方向的风荷载；V(t)为下击暴流风速；ρ为空气密度；Cx、Cy分别为x、y方向阻力系数；Ax和Ay分别为x、y方向输电铁塔各节点所辖的迎风面积；
风振系数计算模块：将载荷信息文件对接至输电铁塔三维有限元数值模型中，对输电铁塔进行瞬态动力分析，根据分析结果计算输电铁塔结构整体风振系数，包括以下具体步骤：
A)将各模拟点的风荷载信息存储于载荷信息文件之中，把载荷信息文件对接于模型文件接口，完成动力荷载对输电铁塔三维有限元数值模型的施加，并采用瞬态动力分析法计算输电铁塔的风振响应；
B)遍历所有模拟点，计算各点位移风振系数，再计算输电铁塔的整体位移风振系数
Figure FDA0003760567030000101
计算公式如下：
Figure FDA0003760567030000102
Figure FDA0003760567030000103
式中：
Figure FDA0003760567030000104
和
Figure FDA0003760567030000105
分别为时变平均风荷载作用下的节点位移最大值和合成风荷载作用下节点位移最大值，βdi为节点i处位移风振系数；
Figure FDA0003760567030000106
为平均风作用下该节点的位移平均值；μ为峰值保证因子；σdi脉动风作用下该节点的位移均方根值；
准静态分析模块：根据天气预报数据，生成下击暴流参数，并对铁塔进行准静态分析，包括以下步骤：
41)根据天气预报数据生成下击暴流参数，将天气数据转换成荷载数据，把天气预报中的最大风速Vmax作为风速数据导入风荷载生成模块中的步骤b)中得到下击暴流风场结构竖向风剖面，根据风场结构模型及参数，生成下击暴流时变平均风及风荷载；
42)根据风振系数计算模块中的步骤B)计算得到结构整体风振系数，再将所述结构整体风振系数与风荷载生成模块中的步骤d)计算得到的下击暴流风荷载相乘得出等效静力风荷载，将载荷信息文件与模型文件接口对接，并利用有限元软件对铁塔进行准静态分析；
安全评估模块：利用准静态分析结果对输电铁塔结构进行安全评估，包括以下过程：根据准静态分析结果，对输电铁塔塔顶位移进行校核；遍历整个下击暴流过程，计算输电铁塔主材杆件的应力值，选择应力最大的杆件，计算该杆件在整个下击暴流过程的应力，完成对输电铁塔的安全评估。
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