CN113312818B - 一种采空区输电铁塔安全性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及输变电技术领域，具体涉及一种采空区输电铁塔安全性评估方法。该评估方法包括以下步骤：根据每个影响因素的最大变形限值，确定每个影响因素的各个安全等级的形变范围，以及所有影响因素的权重向量；根据实测位移和每个影响因素的各个安全等级的形变范围，确定实测位移在每个影响因素中各个安全等级的隶属度；根据所有影响因素的各个安全等级的隶属度，确定所有影响因素的隶属度函数矩阵；根据权重向量和隶属度函数矩阵，确定输电铁塔的整体安全等级。能够解决现有技术中没有明确的评估等级和指标，导致无法系统的给出输电塔安全性评估的问题。

Description

一种采空区输电铁塔安全性评估方法

技术领域

本发明涉及输变电技术领域，具体涉及一种采空区输电铁塔安全性评估方法。

背景技术

在大量的煤炭资源被开采的同时还成了大规模、大面积的采空区。这些采空区极易造成上覆岩体的冒落、弯曲乃至断裂，并且容易使围岩的力学强度降低，故而导致采空区上方的建筑物地基承载力降低，严重的则会造成地表塌陷、沉降、倾斜和变形等。对于在采空区上方的输电铁塔而言，无疑是增大了其被破坏的风险，由于受到了采空区的影响，上方铁塔容易受到地表沉降、倾斜和变形等因素的侵害，其安全性更为值得关注，故而对于该类铁塔的安全性评估就极为重要，然而目前却鲜有针对采空区上方铁塔的安全性评估方法。

现有的技术对于输电塔的安全性评价较多，但鲜有针对于采空区上输电塔的安全性评估，由于采空区上输电塔的损害机理与普通输电塔略有不同，对于采空区上输电塔，采用普通输电塔的安全性评价方式进行评价会导致评估不准确的问题。

CN 106548009 A公开了一种关于采空区输电塔动力冲击效应的评估方法及装置，该方法考虑了以采空区为背景下的输电塔冲击效应的评估，建立ANSYS铁塔模型，给予铁塔不同风荷载，并仿真计算其形变和冲击系数，但只考虑了风荷载影响下的输电塔形变和冲击系数，并以此为依据给出输电塔安全评价。且全过程都由ANSYS内完成，没有明确的评估等级和指标，故而无法系统的给出输电塔安全性评估。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种采空区输电铁塔安全性评估方法，能够解决现有技术中没有明确的评估等级和指标，导致无法系统的给出输电塔安全性评估的问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

本发明提供一种采空区输电铁塔安全性评估方法，包括以下步骤：

根据每个影响因素的最大变形限值，确定每个影响因素的各个安全等级的形变范围，以及所有影响因素的权重向量；

根据实测位移和每个影响因素的各个安全等级的形变范围，确定实测位移在每个影响因素中各个安全等级的隶属度；

根据所有影响因素的各个安全等级的隶属度，确定所有影响因素的隶属度函数矩阵；

根据权重向量和隶属度函数矩阵，确定输电铁塔的整体安全等级。

在一些可选的方案中，所述的根据每个影响因素的最大变形限值，确定所有影响因素的权重向量，具体包括：

根据公式确定每个影响因素的权重λ_i，其中，Δ_i为第i个影响因素的最大变形限值，1≤i≤k，k为影响因素的个数；

根据每个影响因素的权重λ_i，所有影响因素的权重向量

在一些可选的方案中，所述的根据实测位移和每个影响因素的各个安全等级的形变范围，确定实测位移在每个影响因素中各个安全等级的隶属度，具体包括：

当实测位移u_i处于第i个影响因素的第j个安全等级的形变范围时，实测位移在第i个影响因素各个安全等级的隶属度R₁＝[r_i1 … r_ij … r_in]，且实测位移在第i个影响因素的第j个安全等级的隶属度r_ij＝MAX[r_i1 … r_ij … r_in]，且越远离r_ij的隶属度越小，其中，1≤i≤k，1≤j≤n，0≤r_ij≤1,n≥2，n为安全等级的个数。

在一些可选的方案中，所述实测位移u_i为第i个影响因素导致的位移变形值。

在一些可选的方案中，根据所有影响因素的各个安全等级的隶属度，确定所有影响因素的隶属度函数矩阵，具体包括：

确定所有影响因素的各个安全等级的隶属度R_i＝[r_i1 … r_ij … r_in]，

根据R_i＝[r_i1 … r_ij … r_in]，确定所有影响因素的隶属度函数矩阵

在一些可选的方案中，所述的根据权重向量和隶属度函数矩阵，确定输电铁塔的整体安全等级，具体包括：

根据公式P＝A·R＝p₁ … p_j … p_n]对各个因素影响进行安全评价，取p_j最大的等级j为最终的安全等级。

在一些可选的方案中，所述的根据每个影响因素的最大位置变形限值，确定每个影响因素的各个安全等级的形变范围，具体包括：

将每个影响因素均划分成至少两个安全等级，并确定各个安全等级的占比范围；

根据每个影响因素的最大变形限值和各个安全等级的占比范围，确定各个安全等级的形变范围。

在一些可选的方案中，将每个影响因素的安全评价均划分成四个安全等级，分别包括很安全、安全、基本安全和不安全。

在一些可选的方案中，四个安全等级中各个安全等级的占比范围为[0,0.3],(0.3,0.6],(0.6,1],(1,+∞)，第i个影响因素的各个安全等级的形变范围为[0,0.3]Δ_i,(0.3,0.6]Δ_i,(0.6,1]Δ_i,(Δ_i,+∞)，其中，Δ_i为第i个影响因素的最大变形限值。

在一些可选的方案中，该安全性评估方法考虑七种影响因素，分部包括长向水平拉伸、短向水平拉伸，长向水平压缩、短向水平压缩、竖向下沉、拉伸倾斜和压缩倾斜的至少一种。

与现有技术相比，本发明的优点在于：该评估方法根据每个影响因素导致的不同位移，以及其在最大位移限值中的不同占比范围，建立安全等级。并根据每个影响因素的最大位移限值和占比范围，建立各个安全等级的形变范围，形成明确的评价指标，对每个单影响因素进行安全等级量化评价。根据实测位移和每个影响因素的各个安全等级的形变范围，得到实测位移在每个影响因素中各个安全等级的隶属度，最终得到所有影响因素的隶属度函数矩阵。并考虑多影响因素，且通过每个影响因素的最大位移限值，分配影响因素的权重系数，最终根据权重向量和隶属度函数矩阵，确定输电铁塔的整体安全等级，可对受到多种影响因素的采空区输电铁塔进行系统且量化的安全性评价，根据不同的评价等级采取对应的处理方案。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中采空区输电铁塔安全性评估方法的流程图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供一种采空区输电铁塔安全性评估方法，包括以下步骤：

S1：根据每个影响因素的最大变形限值，确定每个影响因素的各个安全等级的形变范围，以及所有影响因素的权重向量。

在一些可选的实施例中，所述的根据每个影响因素的最大位置变形限值，确定每个影响因素的各个安全等级的形变范围，具体包括：

将每个影响因素的安全评价均划分成至少两个安全等级，并确定各个安全等级的占比范围；根据每个影响因素的最大变形限值和各个安全等级的占比范围，确定各个安全等级的形变范围。

本例中，可根据需要安全评价的细化程度划分安全等级，各个安全等级的占比范围是指在0到1的区间内的占比范围，可将安全等级参数化，以便根据输电铁塔的实测位移数值进行定安全性处理。

每种工况下，铁塔的位置变形都存在一最大限值。每个影响因素的最大变形限值，是根据有限元计算结果得到。具体的有限元模型按如下建立：建立梁杆混合的铁塔模型，考虑铁塔结构的非线性变形，施加正常运行工况并考虑风向和覆冰条件下的荷载，计算单一地表变形条件下位移最大值。

在一些可选的实施例中，将每个影响因素的安全评价均划分成四个安全等级，分别包括很安全、安全、基本安全和不安全。在其他实施例中，也可以根据需要安全评估的细化程度划分更多或者更少的安全等级。

在一些可选的实施例中，四个安全等级中各个安全等级的占比范围为[0,0.3],(0.3,0.6],(0.6,1],(1,+∞)，第i个影响因素的各个安全等级的形变范围为[0,0.3]Δ_i,(0.3,0.6]Δ_i,(0.6,1]Δ_i,(Δ_i,+∞)，其中，Δ_i为第i个影响因素的最大变形限值。

在一些可选的实施例中，该安全性评估方法考虑七种影响因素，分部包括长向水平拉伸、短向水平拉伸，长向水平压缩、短向水平压缩、竖向下沉、拉伸倾斜和压缩倾斜的至少一种。

具体应用过程中，还可以将每一个一级影响因素根据工况分为若干个二级影响因素。下面给出一具体的实施例：

因为不同的影响因素，会导致不同方向的位移，所以在实际使用该方法时，根据输电铁塔的实测位移中涉及到的位移方向及气象条件确定影响因素。例如输电铁塔的实测位移中有包括影响因素中长向水平拉伸方向的位移量，则考虑长向水平拉伸，实测位移中有包括影响因素中短向水平拉伸方向的位移量，则考虑短向水平拉伸。

通过输电铁塔的实测位移中涉及到的位移方向，确定所有的影响因素，并且在确定每个影响因素的最大变形限值时，还要考虑具体工况，根据具体工况下的有限元计算结果确定每个影响因素的最大变形限值。例如确定有长向水平拉伸的影响因素时，具体的涉及长向单独支座水平拉伸工况，有限元计算中模型就建立长向单独支座水平拉伸的有限元模型。例如确定有拉伸倾斜的影响因素时，具体的涉及覆冰+60°风工况的拉伸倾斜，有限元计算中模型就建立覆冰+60°风工况拉伸倾斜的有限元模型。

所述的根据每个影响因素的最大变形限值，确定所有影响因素的权重向量，具体包括：

根据公式确定每个影响因素的权重λ_i，其中，Δ_i为第i个影响因素的最大变形限值，1≤i≤k，k为影响因素的个数。

根据每个影响因素的权重λ_i，所有影响因素的权重向量

具体地，各个影响因素的最大变形限值分别为Δ₁,Δ₂,…,Δ_K，根据公式确定每个影响因素的权重λ_i，可得到权重向量[λ₁,λ₂,…,λ_K]，经过归一化，得到所有影响因素的权重向量/>

当通过输电铁塔的实测位移中涉及到的位移方向，确定的影响因素只有一个时，即此时只受单因素的影响。可直接根据划分的安全评价的安全等级，以及实测位移落入的安全等级的形变范围，进行安全性评估。

S2：根据实测位移和每个影响因素的各个安全等级的形变范围，确定实测位移在每个影响因素中各个安全等级的隶属度。

在一些可选的实施例中，所述的根据实测位移和每个影响因素的各个安全等级的形变范围，确定实测位移在每个影响因素中各个安全等级的隶属度，具体包括：

当实测位移u_i处于第i个影响因素的第j个安全等级的形变范围时，实测位移在第i个影响因素各个安全等级的隶属度R_i＝[r_i1 … r_ij … r_in]，且实测位移在第i个影响因素的第j个安全等级的隶属度r_ij＝MAX[r_i1 … r_ij … r_in]，且越远离r_ij的隶属度越小，其中，1≤i≤k，1≤j≤n，0≤r_ij≤1,n≥2，n为安全等级的个数。

例如，将每个影响因素的安全评价划分成很安全、安全、基本安全和不安全四个安全等级对应的安全等级的形变范围分别为[0,0.3]Δ_i,(0.3,0.6]Δ_i,(0.6,1]Δ_i,(Δ_i,+∞)时，

①当实测位移值u_i位于第1区间[0,0.3]Δ_i时，给出各评价等级隶属度为[0.5.0.3,0.2,0]；

②当实测位移u_i位于第2区间(0.3,0.6]Δ_i时，给出各评价等级隶属度为[0.2.0.5,0.2,0.1]；

③当实测位移u_i位于第3区间(0.6,1]Δ_i时，给出各评价等级隶属度为[0.1.0.2,0.5,0.2]；

④当实测位移u_i位于第4区间(Δ_i,+∞)时，给出各评价等级隶属度为[0,0.2,0.3,0.5]。

S3：根据所有影响因素的各个安全等级的隶属度，确定所有影响因素的隶属度函数矩阵。

在一些可选的实施例中，根据所有影响因素的各个安全等级的隶属度，确定所有影响因素的隶属度函数矩阵，具体包括：

确定所有影响因素的各个安全等级的隶属度R_i＝[r_i1 … r_ij … r_in]。

根据R_i＝[r_i1 … r_ij … r_in]，确定所有影响因素的隶属度函数矩阵

例如，第1个影响因素的各个安全等级的隶属度即为R₁＝[r₁₁ … r_1j … r_1n]。当包括7个影响因素，且每个影响因素包括4个安全等级时，k＝7，n＝4。则7个影响因素的隶属度函数矩阵为

S4：根据权重向量和隶属度函数矩阵，确定输电铁塔的整体安全等级。

在一些可选的实施例中，所述的根据权重向量和隶属度函数矩阵，确定输电铁塔的整体安全等级，具体包括：

根据公式P＝A·R＝p₁ … p_j … p_n]对各个因素影响进行安全评价，取p_j最大的等级j为最终的安全等级，即输电铁塔的整体安全等级。

下面给出一种具体的实施例：

设监测到的某铁塔长向单独支座水平拉伸为40mm，长向两支座水平压缩为110mm，短向单支座水平压缩为30mm，长向两支座竖向下沉30mm，90°大风工况拉伸倾斜组为15mm，正常工况压缩倾斜组合值16mm，评价该铁塔的安全性。

每个影响因素的最大变形限值，根据有限元计算结果得到：长向单独支座水平拉伸的最大变形限值为43mm，长向两支座水平的最大变形限值为167mm，短向单支座水平压缩的最大变形限值为26mm，长向两支座竖向下沉的最大变形限值为64mm，拉伸倾斜的最大变形限值为17.1mm，压缩倾斜的最大变形限值为14.5mm。确定个影响因素的最大变形限值为Δ＝[43,167,26,64,17.1,14.5]。

根据公式确定每个影响因素的权重λ_i，则λ＝[7.92，1.94，13.10，5.32，19.92，23.49]，归一化后得到权重向量A＝[0.111，0.027，0.183，0.074，0.278，0.328]。

若该塔为220kVZMC输电铁塔，根据单因素安全评价方法，依长向水平拉伸指标和长向水平压缩指标来看，该输电铁塔为基本安全；从短向水平压缩指标来看，该输电铁塔为不安全；从竖向下沉指标来看，该输电铁塔为较安全；从拉伸倾斜，压缩倾斜值，分别判断该塔为基本安全和不安全。参与评价的六个指标中有3个给出基本安全的评价结论，2个给出不安全的评价结论，1个给出较安全的评价。

则根据实测值得到在每个影响因素中各个安全等级的隶属度为下表：

对应的隶属度函数矩阵为

根据权重向量和隶属度函数矩阵，进行整体安全性评价综合评价，计算式如下

根据最大隶属度原，确定输电铁塔的整体安全等级，则给输电铁塔的安全等级第3级—基本安全。

综上所述，该评估方法根据每个影响因素导致的不同位移，以及其在最大位移限值中的不同占比范围，建立安全等级。并根据每个影响因素的最大位移限值和占比范围，建立各个安全等级的形变范围，形成明确的评价指标，对每个单影响因素进行安全等级量化评价，根据实测位移和每个影响因素的各个安全等级的形变范围，得到实测位移在每个影响因素中各个安全等级的隶属度，最终得到所有影响因素的隶属度函数矩阵。并考虑多影响因素，且通过每个影响因素的最大位移限值，分配影响因素的权重系数，最终根据权重向量和隶属度函数矩阵，确定输电铁塔的整体安全等级，可对受到多种影响因素的采空区输电铁塔进行系统且精确的安全性评价。且可实现某一具体铁塔的安全性评估，而不是整段线路的粗糙安全性评估。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种采空区输电铁塔安全性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过输电铁塔的实测位移中涉及到的位移方向，确定所有的影响因素，在确定每个影响因素的最大变形限值时，还要考虑具体工况，根据具体工况下的有限元计算结果确定每个影响因素的最大变形限值；

根据每个影响因素的最大变形限值，确定每个影响因素的各个安全等级的形变范围，以及所有影响因素的权重向量；

根据每个影响因素的最大变形限值，确定所有影响因素的权重向量，具体包括：根据公式确定每个影响因素的权重λ_i，其中，Δ_i为第i个影响因素的最大变形限值，1≤i≤k，k为影响因素的个数；

根据每个影响因素的权重λ_i，所有影响因素的权重向量

根据每个影响因素的最大位置变形限值，确定每个影响因素的各个安全等级的形变范围，具体包括：

将每个影响因素均划分成至少两个安全等级，并确定各个安全等级的占比范围；

根据每个影响因素的最大变形限值和各个安全等级的占比范围，确定各个安全等级的形变范围；根据实测位移和每个影响因素的各个安全等级的形变范围，确定实测位移在每个影响因素中各个安全等级的隶属度；

根据所有影响因素的各个安全等级的隶属度，确定所有影响因素的隶属度函数矩阵；

根据权重向量和隶属度函数矩阵，确定输电铁塔的整体安全等级。

2.如权利要求1所述的采空区输电铁塔安全性评估方法，其特征在于，所述的根据实测位移和每个影响因素的各个安全等级的形变范围，确定实测位移在每个影响因素中各个安全等级的隶属度，具体包括：

当实测位移u_i处于第i个影响因素的第j个安全等级的形变范围时，实测位移在第i个影响因素各个安全等级的隶属度R₁＝＝[r_i1…r_ij…r_in]，且实测位移在第i个影响因素的第j个安全等级的隶属度r_ij＝MAX[r_i1…r_ij…r_in]，且越远离r_ij的隶属度越小，其中，1≤i≤k，1≤j≤n，0≤r_ij≤1,n≥2，n为安全等级的个数。

3.如权利要求2所述的采空区输电铁塔安全性评估方法，其特征在于，所述实测位移u_i为第i个影响因素导致的位移变形值。

4.如权利要求2所述的采空区输电铁塔安全性评估方法，其特征在于，根据所有影响因素的各个安全等级的隶属度，确定所有影响因素的隶属度函数矩阵，具体包括：

确定所有影响因素的各个安全等级的隶属度R_i＝[r_i1…r_ij…r_in]，

根据R_i＝[r_i1…r_ij…r_in]，确定所有影响因素的隶属度函数矩阵

5.如权利要求4所述的采空区输电铁塔安全性评估方法，其特征在于，所述的根据权重向量和隶属度函数矩阵，确定输电铁塔的整体安全等级，具体包括：

根据公式P＝A·R＝[p₁ … p_j … p_n]对各个因素影响进行安全评价，取p_j最大的等级j为最终的安全等级。

6.如权利要求1所述的采空区输电铁塔安全性评估方法，其特征在于，将每个影响因素的安全评价均划分成四个安全等级，分别包括很安全、安全、基本安全和不安全。

7.如权利要求6所述的采空区输电铁塔安全性评估方法，其特征在于，四个安全等级中各个安全等级的占比范围为[0,0.3],(0.3,0.6],(0.6,1],(1,+∞)，第i个影响因素的各个安全等级的形变范围为[0,0.3]Δ_i,(0.3,0.6]Δ_i,(0.6,1]Δ_i,(Δ_i,+∞)，其中，Δ_i为第i个影响因素的最大变形限值。

8.如权利要求1所述的采空区输电铁塔安全性评估方法，其特征在于，该安全性评估方法考虑七种影响因素，分部包括长向水平拉伸、短向水平拉伸，长向水平压缩、短向水平压缩、竖向下沉、拉伸倾斜和压缩倾斜的至少一种。