CN116108725B - 输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法、装置及介质 - Google Patents

输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法、装置及介质 Download PDF

Info

Publication number
CN116108725B
CN116108725B CN202310370829.XA CN202310370829A CN116108725B CN 116108725 B CN116108725 B CN 116108725B CN 202310370829 A CN202310370829 A CN 202310370829A CN 116108725 B CN116108725 B CN 116108725B
Authority
CN
China
Prior art keywords
cable
tower
transmission line
inhaul cable
inhaul
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202310370829.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN116108725A (zh
Inventor
严俊
龚列谦
曾璧环
孔凡坊
郑翀
曹枚根
郑思源
潘勃利
张若愚
蓝天虹
池曦锵
屠峰
占鹭林
陈长龙
张瑞
杨马赞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Jingneng Power Technology Co ltd
North China University of Technology
State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Wenzhou Power Supply Co of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Power Construction of Wenzhou
Original Assignee
Beijing Jingneng Power Technology Co ltd
North China University of Technology
State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Wenzhou Power Supply Co of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Power Construction of Wenzhou
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Jingneng Power Technology Co ltd, North China University of Technology, State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd, Wenzhou Power Supply Co of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd, Power Construction of Wenzhou filed Critical Beijing Jingneng Power Technology Co ltd
Priority to CN202310370829.XA priority Critical patent/CN116108725B/zh
Publication of CN116108725A publication Critical patent/CN116108725A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN116108725B publication Critical patent/CN116108725B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/13—Architectural design, e.g. computer-aided architectural design [CAAD] related to design of buildings, bridges, landscapes, production plants or roads
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/04—Power grid distribution networks
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/16—Cables, cable trees or wire harnesses
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Wind Motors (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)

Abstract

本发明公开了一种输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法、装置及介质，所述方法包括：建立输电线路铁塔的第一有限元模型，并确定输电线路铁塔在预设风荷载作用下的抗风性能指标；建立输电塔‑拉索结构体系的解析力学模型，并结合抗风性能指标和拉索经济性指标对增设的预应力拉索进行优化分析，获得拉索参数；根据预应力拉索的型号判断拉索比载与拉索截面积是否匹配；若是，则根据拉索参数建立拉索加固后的输电线路铁塔的第二有限元模型，并进行风振响应分析，以对拉索参数进行验证。采用本发明的技术方案能够基于输电线路铁塔的抗风性能指标和拉索经济性指标，快速寻找塔身每个节间段拉索所有的设计参数的最优解，实现拉索参数的全局优化。

Description

输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法、装置及介质
技术领域
本发明涉及高耸钢结构风振控制技术领域，尤其涉及一种输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法、装置及计算机可读存储介质。
背景技术
高耸钢结构广泛用于电力、通信等行业，其中，自立式角钢塔具有安装、运输方便等显著优势，在输电线路铁塔结构中的应用最为广泛。输电线路铁塔长期矗立在野外，运行环境恶劣，风荷载往往是这类高耸塔式结构的控制荷载。近年来，随着输电线路输送容量及电压等级的不断提高，冰灾、台风、暴风等自然灾害的频繁发生，输电线路铁塔的荷载和重量不断增大，为了提高输电线路铁塔的承载能力，以确保输电线路的安全，对一些高电压等级的输电线路铁塔逐渐采用了高强度钢材的角钢塔和钢管塔，主要体现在三个方向：一是提高材料强度级别和质量级别，如推广使用Q420、Q460等高强度等级的钢材等；二是优化和改进铁塔结构设计，如推广应用钢管塔；三是提高材料规格，如在角钢塔中使用大规格角钢。这些方案主要针对新建输电线路，虽然可以显著提升输电线路铁塔的承载能力，但同时也大大增加了铁塔的自身重量，导致输电线路的建设成本攀升，造成巨大的资源占用。
对于强风及沿海台风多发地区的已建、在运行的输电线路铁塔，受限于建设时期的经济水平及设计时期所采用的规范要求偏低，随着线路扩容、改造及应对灾害等方面的需求，除了将原线路异地重建或拆旧建新，最经济、最快速的方法就是进行铁塔原塔的加固改造，抑制其风振动力响应。由于输电线路铁塔的结构型式和构造的独特性和复杂性，很难借鉴一般钢结构的加强方法，因此灾后输电线路铁塔特别是角钢塔的加强一直是工程中的难点，不少学者开展了相关的研究。预应力拉索作为一种抗拉性能十分优异的构件，在高耸结构体系和钢结构加固等工程中发挥了重要作用，在输电线路工程中也有大量的拉索用于拉索杆塔和施工临时设施中，通过在结构体外布置若干拉索可以确保主结构在各类荷载作用下的倾覆稳定，但是，现有的通过在输电线路铁塔中增设预应力拉索的方案，一般仅提供了预应力拉索在输电线路铁塔中的布置设计方案，并没有提及如何对预应力拉索的参数进行优化设计及合理取值，而如何选取预应力拉索的参数对输电线路铁塔进行加固和振动控制，是输电线路铁塔抗风薄弱的关键，参数不合适有可能无法发挥加固和减振的效果，或者导致成本过大，甚至出现副作用，反而影响输电线路铁塔原有的承载能力。
发明内容
本发明实施例的目的在于，提供一种输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法、装置及计算机可读存储介质，能够基于输电线路铁塔的抗风性能指标和拉索经济性指标，快速寻找塔身每个节间段拉索所有的设计参数的最优解，实现拉索参数的全局优化。
为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法，包括：
建立输电线路铁塔的第一有限元模型，并根据所述第一有限元模型确定所述输电线路铁塔在预设风荷载作用下的抗风性能指标；
建立输电塔-拉索结构体系的解析力学模型，并根据所述解析力学模型，结合所述抗风性能指标和拉索经济性指标，对所述输电线路铁塔中增设的预应力拉索进行优化分析，获得拉索参数；其中，所述拉索参数包括拉索截面积、拉索预应力、拉索比载和阻尼比；
根据所述预应力拉索的型号判断所述拉索比载与所述拉索截面积是否匹配；
当所述拉索比载与所述拉索截面积匹配时，根据所述拉索参数建立拉索加固后的输电线路铁塔的第二有限元模型，并根据所述第二有限元模型进行风振响应分析，以对所述拉索参数进行验证。
进一步地，所述输电塔-拉索结构体系在预设风荷载作用下的振动方程为：
Figure SMS_1
；其中，U为所述输电线路铁塔的位移向量，F v为向所述输电线路铁塔施加的脉动风荷载，/>
Figure SMS_2
为向所述输电线路铁塔施加的平均风荷载，[M]为所述输电线路铁塔的质量矩阵，[K]为所述输电线路铁塔的刚度矩阵，[K]=[K T]+[K C]，[K T]为所述输电线路铁塔的各个节间段的刚度矩阵，[K C]为所述预应力拉索的刚度矩阵，[C]为所述输电线路铁塔的阻尼矩阵，[C]=[C T]+[C C]，[C T]为所述输电线路铁塔的各个节间段的阻尼矩阵，[C C]为所述预应力拉索的阻尼矩阵，且U、[M]、[K T]、[K C]、[C T]和[C C]的表达式分别如下：
Figure SMS_3
，u top、u arm、 u bodyi和u bot分别为所述输电线路铁塔的塔头位移、横担位移、第i个塔身节间段的位移和塔腿位移，i为正整数；
Figure SMS_4
，m top、m arm、 m bodyi和m bot分别为所述输电线路铁塔的塔头质量、横担质量、第i个塔身节间段的质量和塔腿质量，
Figure SMS_5
为导、地线质量；
Figure SMS_6
，
k top、k arm、 k tbodyi和k bot分别为所述输电线路铁塔的塔头侧向刚度、横担侧向刚度、第i个塔身节间段的侧向刚度和塔腿侧向刚度；
Figure SMS_7
，k cbodyi为第i个塔身节间段增设体内拉索的水平附加刚度；
Figure SMS_8
，
c top、c arm、 c tbodyi和c bot分别为所述输电线路铁塔的塔头阻尼系数、横担阻尼系数、第i个塔身节间段的阻尼系数和塔腿阻尼系数；
Figure SMS_9
，c cbodyi为第i个塔身节间段增设体内拉索的阻尼系数。
进一步地，所述预应力拉索的拉索形态曲线方程为：
Figure SMS_10
，拉索弧长计算公式为：/>
Figure SMS_11
；其中，x为所述预应力拉索的横坐标数据，q为所述预应力拉索的重力比载，T 0为所述预应力拉索的初始张力，L为所述预应力拉索的两个挂点之间的弦向距离，a为所述预应力拉索与地面的夹角，T为所述预应力拉索在预设风荷载作用下发生变化后的张力。
进一步地，所述预应力拉索在预设风荷载作用下引起的两个挂点之间的弦向变形量为：
Figure SMS_12
；其中，/>
Figure SMS_13
，ΔS为相对初始张力时的拉索弧长变化量，/>
Figure SMS_14
为初始张力时的拉索弧长，E为拉索弹性模量，A为拉索截面积。
进一步地，所述预应力拉索在所述输电线路铁塔中被设置为若干组交叉拉索，所述交叉拉索在预设风荷载作用下引起的变形包括小变形阶段、中等变形阶段和大变形阶段，小变形阶段的弦向变形量满足0≤δ＜δ 0，中等变形阶段和大变形阶段的弦向变形量满足δ 0≤δ＜δ f，大变形阶段和大变形阶段的弦向变形量满足δ≥δ f，所述交叉拉索在每一个阶段的等效线性刚度的计算步骤如下：
根据增设的交叉拉索的初始参数，利用公式
Figure SMS_15
计算获得两副交叉拉索的水平附加刚度k c1和k c2；
定义两副交叉拉索的水平附加刚度k c1和k c2的绝对差值为：
Figure SMS_16
，根据所述绝对差值求解小变形临界值δ 0和大变形临界值δ f；其中，T c1和T c2分别为两副交叉拉索的张力；
根据小变形临界值δ 0和大变形临界值δ f获得交叉拉索的等效线性刚度；其中，小变形阶段的等效线性刚度为：
Figure SMS_17
，中等变形阶段的等效线性刚度为：
Figure SMS_18
，大变形阶段的等效线性刚度为：/>
Figure SMS_19
，/>
Figure SMS_20
为根据小变形临界值δ 0获得的受拉侧拉索的张力，/>
Figure SMS_21
为根据大变形临界值δ f获得的受压侧拉索的张力。
进一步地，所述输电塔-拉索结构体系的塔顶位移振动控制衰减系数为：
Figure SMS_22
，增设拉索的总出力比为：/>
Figure SMS_23
；其中，/>
Figure SMS_24
为塔身节间段位移响应的均方根值，/>
Figure SMS_25
为无拉索条件下塔身位移均方根值，/>
Figure SMS_26
为塔身节间段的总出力，/>
Figure SMS_27
为无拉索条件下塔身的总出力。
进一步地，所述对所述输电线路铁塔中增设的预应力拉索进行优化分析，获得拉索参数，具体包括：
建立所述预应力拉索的双目标优化模型；其中，所述双目标优化模型的表达式为：
Figure SMS_28
，/>
Figure SMS_29
，A为拉索截面积，t p为拉索预应力；
假设所述输电线路铁塔在不通风速下的位移控制目标为预先确定值，将所述双目标优化模型简化为单目标优化模型；其中，所述单目标优化模型的表达式为：
Figure SMS_30
，/>
Figure SMS_31
，η dt为所述抗风性能指标；
根据所述单目标优化模型获得所述预应力拉索的拉索截面积和拉索预应力；
建立所述预应力拉索的全局优化模型，并采用极值条件对所述拉索截面积和所述拉索预应力进行求解，获得所述预应力拉索的优化参数；其中，所述全局优化模型的表达式为：
Figure SMS_32
，/>
Figure SMS_33
，ξ d为拉索附加阻尼系数。
为了实现上述目的，本发明实施例还提供了一种输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化装置，用于实现上述任一项所述的输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法，所述装置包括：
铁塔模型建立模块，用于建立输电线路铁塔的第一有限元模型，并根据所述第一有限元模型确定所述输电线路铁塔在预设风荷载作用下的抗风性能指标；
参数优化分析模块，用于建立输电塔-拉索结构体系的解析力学模型，并根据所述解析力学模型，结合所述抗风性能指标和拉索经济性指标，对所述输电线路铁塔中增设的预应力拉索进行优化分析，获得拉索参数；其中，所述拉索参数包括拉索截面积、拉索预应力、拉索比载和阻尼比；
参数匹配判断模块，用于根据所述预应力拉索的型号判断所述拉索比载与所述拉索截面积是否匹配；
参数优化验证模块，用于当所述拉索比载与所述拉索截面积匹配时，根据所述拉索参数建立拉索加固后的输电线路铁塔的第二有限元模型，并根据所述第二有限元模型进行风振响应分析，以对所述拉索参数进行验证。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序；其中，所述计算机程序在运行时控制所述计算机可读存储介质所在的设备执行上述任一项所述的输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法。
本发明实施例还提供了一种输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化装置，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法。
与现有技术相比，本发明实施例提供了一种输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法、装置及计算机可读存储介质，通过建立输电线路铁塔的第一有限元模型，并根据第一有限元模型确定所述输电线路铁塔在预设风荷载作用下的抗风性能指标；建立输电塔-拉索结构体系的解析力学模型，并根据解析力学模型，结合抗风性能指标和拉索经济性指标，对输电线路铁塔中增设的预应力拉索进行优化分析，获得拉索参数，该拉索参数包括拉索截面积、拉索预应力、拉索比载和阻尼比；根据预应力拉索的型号判断拉索比载与拉索截面积是否匹配，若匹配，则根据该拉索参数建立拉索加固后的输电线路铁塔的第二有限元模型，并根据第二有限元模型进行风振响应分析，以对拉索参数进行验证；从而能够基于输电线路铁塔的抗风性能指标和拉索经济性指标，快速寻找塔身每个节间段拉索所有的设计参数的最优解，实现拉索参数的全局优化。
附图说明
图1是本发明提供的一种输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法的一个优选实施例的流程图；
图2（a）至图2（b）是本发明实施例提供的一种增设体内拉索的典型输电塔的简化力学模型示意图；
图3（a）至图3（b）是本发明实施例提供的一种增设体内拉索的输电塔节间段的简化力学模型示意图；
图4是本发明实施例提供的不同初始预应力下GJ-100型钢绞线张力T与δ的关系曲线图；
图5是本发明实施例提供的拉索在拉伸、收缩变形时张力与弦长变化量的关系曲线图；
图6是本发明实施例提供的增设的交叉拉索等效出力T E与δ的关系曲线图；
图7是本发明实施例提供的应用场景一中的塔身各节间段的拉索布置示意图；
图8（a）至图8（b）是本发明实施例提供的应用场景二中的布置优化设计阻尼拉索前后塔头位移响应时程及功率谱示意图；
图9是本发明提供的一种输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化装置的一个优选实施例的结构框图；
图10是本发明提供的一种输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化装置的另一个优选实施例的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本技术领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法，参见图1所示，是本发明提供的一种输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法的一个优选实施例的流程图，所述方法包括步骤S11至步骤S14：
步骤S11、建立输电线路铁塔的第一有限元模型，并根据所述第一有限元模型确定所述输电线路铁塔在预设风荷载作用下的抗风性能指标；
步骤S12、建立输电塔-拉索结构体系的解析力学模型，并根据所述解析力学模型，结合所述抗风性能指标和拉索经济性指标，对所述输电线路铁塔中增设的预应力拉索进行优化分析，获得拉索参数；其中，所述拉索参数包括拉索截面积、拉索预应力、拉索比载和阻尼比；
步骤S13、根据所述预应力拉索的型号判断所述拉索比载与所述拉索截面积是否匹配；
步骤S14、当所述拉索比载与所述拉索截面积匹配时，根据所述拉索参数建立拉索加固后的输电线路铁塔的第二有限元模型，并根据所述第二有限元模型进行风振响应分析，以对所述拉索参数进行验证。
在具体实施时，输电线路铁塔中增设的预应力拉索的参数优化流程如下：
步骤一、建立输电线路铁塔的第一有限元模型，确定风荷载输入及抗风目标，以根据建立好的第一有限元模型确定输电线路铁塔在预设风荷载作用下的抗风性能指标η dt；具体的，可以根据输电线路铁塔的设计图纸建立第一有限元计算模型，并根据工程需求确定风速，通过开展风荷载下的风振分析，确定输电线路铁塔的抗风性能目标η dt；
步骤二、基于输电线路铁塔中的预应力拉索的布置设计，建立输电塔-拉索结构体系的参数化的解析力学模型，将输电线路铁塔的整体拉索参数优化选择简化为塔身各节间段的参数优化，若只控制输电线路铁塔的第一阶模态，可直接将铁塔整体刚度简化为单自由度塔身节间段以进行优化设计，并使用拉索位移减振系数η d（即塔顶位移振动控制衰减系数）和阻尼拉索出力比γ d（即增设拉索的总出力比）作为两个目标函数开展优化分析；
步骤三、根据建立的全局优化模型开展输电线路铁塔中的拉索参数的全局优化，得到拉索截面积、拉索预应力、拉索比载和阻尼比，并根据实际拉索型号判断拉索比载和拉索截面积是否匹配，若不匹配，则固定拉索比载和阻尼比，根据建立的单目标优化模型开展输电线路铁塔中的拉索参数的局部优化，得到新的拉索截面积和新的拉索预应力；
步骤四、根据输电线路铁塔的风振控制效果的验算分析：如果步骤三中的判定结果为匹配，则直接将获得的拉索截面积、拉索预应力、拉索比载和阻尼比作为最后的设计参数；如果步骤三中的判定结果为不匹配，则将获得的新的拉索截面积、新的拉索预应力、固定的拉索比载和固定的阻尼比作为最后的设计参数；采用最后的设计参数，建立拉索加固后的输电线路铁塔的第二有限元模型，并根据建立好的第二有限元模型开展风振响应分析，将风振响应的计算结果与目标位移减振比进行对比，判断是否满足铁塔预设性能指标，若满足，则表示预应力拉索的参数设计及优化完成；若不满足，则更换目标位移减振比，并重新开展参数优化流程。
需要说明的是，输电线路铁塔作为一种空间桁架的高耸钢结构，结构高柔，对风荷载非常敏感，为了提高输电线路铁塔在平均风和脉动风荷载作用下的抗风性能，可在铁塔体内分段增设平面或空间预应力拉索，从而提高结构体系的侧向刚度和阻尼系数。如图2（a）至图2（b）所示，其中，图2（a）为一典型的增设拉索的输电线路铁塔（猫头塔）的结构示意图，图2（b）为图2（a）所对应的简化多自由度体系的结构示意图，为了提高该塔塔身横线路和顺线路方向的侧向刚度和铁塔整体阻尼系数，可将塔身分成若干个节间段，并在其体内布置平面或空间预应力拉索进行加固，此外合理设置与拉索配套的阻尼器，可实现对输电线路铁塔高效的风振控制，有效提升输电线路铁塔的抗风能力和风灾可靠性。图2（b）中的T top为塔头，T arm为横担，T bot为塔腿，T bodyi（i=1，2，3，…）为塔身各个节间段。
结合图2（a）至图2（b）所示，作为优选方案，所述输电塔-拉索结构体系在预设风荷载作用下的振动方程为：
Figure SMS_34
；其中，U为所述输电线路铁塔的位移向量，F v为向所述输电线路铁塔施加的脉动风荷载，/>
Figure SMS_35
为向所述输电线路铁塔施加的平均风荷载，[M]为所述输电线路铁塔的质量矩阵，[K]为所述输电线路铁塔的刚度矩阵，[K]=[K T]+[K C]，[K T]为所述输电线路铁塔的各个节间段的刚度矩阵，[K C]为所述预应力拉索的刚度矩阵，[C]为所述输电线路铁塔的阻尼矩阵，[C]=[C T]+[C C]，[C T]为所述输电线路铁塔的各个节间段的阻尼矩阵，[C C]为所述预应力拉索的阻尼矩阵，且U、[M]、[K T]、[K C]、[C T]和[C C]的表达式分别如下：
Figure SMS_36
，u top、u arm、 u bodyi和u bot分别为所述输电线路铁塔的塔头位移、横担位移、第i个塔身节间段的位移和塔腿位移，i为正整数；
Figure SMS_37
，m top、m arm、 m bodyi和m bot分别为所述输电线路铁塔的塔头质量、横担质量、第i个塔身节间段的质量和塔腿质量，
Figure SMS_38
为导、地线质量；
Figure SMS_39
，
k top、k arm、 k tbodyi和k bot分别为所述输电线路铁塔的塔头侧向刚度、横担侧向刚度、第i个塔身节间段的侧向刚度和塔腿侧向刚度；
Figure SMS_40
，k cbodyi为第i个塔身节间段增设体内拉索的水平附加刚度；
Figure SMS_41
，
c top、c arm、 c tbodyi和c bot分别为所述输电线路铁塔的塔头阻尼系数、横担阻尼系数、第i个塔身节间段的阻尼系数和塔腿阻尼系数；
Figure SMS_42
，c cbodyi为第i个塔身节间段增设体内拉索的阻尼系数。
具体的，结合上述实施例，图2（a）中增设体内拉索的塔身个节间段可以等效为单质点模型，根据结构动力学理论可得到风荷载作用下输电线路铁塔增设体内拉索节间段的运动方程为：
Figure SMS_43
（1）
在公式（1）中，m为塔身节间段的等效质量，k t为塔身节间段的自身侧向刚度，k c为增设体内拉索提供的水平附加刚度，c t为塔身节间段的固有阻尼系数，c c为增设体内拉索的阻尼系数，当不考虑增设拉索的阻尼时，c c为0，
Figure SMS_44
为塔身节间段在风荷载作用下的位移，
Figure SMS_45
为施加在塔身节间段的脉动风荷载，/>
Figure SMS_46
为施加在塔身节间段的平均风荷载。
将输电塔-拉索结构体系简化为多质点体系，则布置体内预应力拉索后的输电线路铁塔多自由度体系在风荷载作用下的振动方程为：
Figure SMS_47
（2）
在公式（2）中，U为输电线路铁塔的位移向量，可表示为：
Figure SMS_48
（3）
其中，u top、u arm、 u bodyi和u bot分别对应为输电线路铁塔的塔头位移、横担位移、第i个塔身节间段（加固段）的位移和塔腿位移，i为正整数；
[M]为输电线路铁塔的质量矩阵，可表示为：
Figure SMS_49
（4）
其中，m top、m arm、 m bodyi和m bot分别对应为输电线路铁塔的塔头质量、横担质量、第i个塔身节间段的质量和塔腿质量，m l为导、地线质量，导、地线质量添加在横担处；
[K]为输电线路铁塔的刚度矩阵，[K]=[K T]+[K C]，[K T]为输电线路铁塔的各个节间段的刚度矩阵，[K C]为预应力拉索的刚度矩阵，[K T]和[K C]可表示为：
Figure SMS_50
（5）
其中，k top、k arm、 k tbodyi和k bot分别对应为输电线路铁塔的塔头侧向刚度、横担侧向刚度、第i个塔身节间段的侧向刚度和塔腿侧向刚度；
Figure SMS_51
（6）
其中，k cbodyi为第i个塔身节间段增设体内拉索的水平附加刚度；
假设预应力拉索和输电线路铁塔阻尼均为粘滞阻尼，[C]为输电线路铁塔的阻尼矩阵，[C]=[C T]+[C C]，[C T]为输电线路铁塔的各个节间段的阻尼矩阵，[C C]为预应力拉索的阻尼矩阵，[C T]和[C C]可表示为：
Figure SMS_52
（7）
其中，c top、c arm、 c tbodyi和c bot分别对应为输电线路铁塔的塔头阻尼系数、横担阻尼系数、第i个塔身节间段的阻尼系数和塔腿阻尼系数；
Figure SMS_53
（8）
其中，c cbodyi为第i个塔身节间段增设体内拉索的阻尼系数。
将公式（2）用状态空间的形式进行表示，其表达式为：
Figure SMS_54
（9）
其中，状态空间向量Z为：
Figure SMS_55
（10）
状态空间系统矩阵B和风振激励矢量D为：
Figure SMS_56
，/>
Figure SMS_57
（11）
随机响应分析中输出向量的方差矩阵可用李雅普诺夫方程求解：
Figure SMS_58
（12）
根据公式（12）可以求得输电线路铁塔多自由度体系由第一阶模态控制的塔头位移的均方根值σ Tu及拉索位移响应均方根值σ Su。
以下内容主要介绍增设体内预应力拉索的附加非线性刚度计算方法：
作为优选方案，所述预应力拉索的拉索形态曲线方程为：
Figure SMS_59
，拉索弧长计算公式为：/>
Figure SMS_60
；其中，x为所述预应力拉索的横坐标数据，q为所述预应力拉索的重力比载，T 0为所述预应力拉索的初始张力，L为所述预应力拉索的两个挂点之间的弦向距离，a为所述预应力拉索与地面的夹角，T为所述预应力拉索在预设风荷载作用下发生变化后的张力。
具体的，结合上述实施例，在输电线路铁塔的节间段布置体内预应力拉索，无论是面内布置还是空间布置，都可将铁塔节间段空间结构简化为布置两副交叉拉索的单自由度模型，如图3（a）至图3（b）所示。由于布置在铁塔节间段中的拉索长度较小，拉索比载较小，可将输电线路铁塔体内拉索的状态方程用抛物线方程近似表达，可得到拉索形态曲线方程
Figure SMS_61
和拉索弧长S T的计算公式如下所示：
Figure SMS_62
（13）
其中，x为预应力拉索的横坐标数据，横坐标方向为拉索挂点的连线方向，q为预应力拉索的重力比载，T 0为预应力拉索的初始张力，L为预应力拉索的两个挂点之间的弦向距离，a为预应力拉索与地面的夹角，T为预应力拉索在预设风荷载作用下发生变化后的张力。
作为优选方案，所述预应力拉索在预设风荷载作用下引起的两个挂点之间的弦向变形量为：
Figure SMS_63
；其中，/>
Figure SMS_64
，ΔS为相对初始张力时的拉索弧长变化量，/>
Figure SMS_65
为初始张力时的拉索弧长，E为拉索弹性模量，A为拉索截面积。
具体的，结合上述实施例，因为拉索较为细长，需要考虑其几何非线性，拉索具有较强的抗拉性能，承受张力时一般处于弹性状态，由拉索张力引起的拉索弧长的变化，主要由拉索材料弹性伸缩变形和拉索的几何形态改变这两部分构成。当铁塔节间段在风荷载作用下发生变形时，拉索张力发生变化，引起的拉索两个挂点之间的弦长变化量δ为：
Figure SMS_66
（14）
其中，ΔS为相对初始张力时的拉索弧长变化量，
Figure SMS_67
为初始张力时的拉索弧长，E为拉索弹性模量，A为拉索截面积。
此外，结合图3（a）所示，为增设交叉拉索节间段的平面简化模型示意图，由节间段在水平荷载作用下铁塔节间段简化模型的变形关系，可得到两根交叉预应力拉索的水平侧向刚度k ci的理论计算公式为：
Figure SMS_68
（15）
由于在铁塔中增设的拉索都是成组成对的交叉拉索，铁塔节间段在风荷载作用下，节间段发生水平侧向变形，使得两副交叉拉索出现一拉一压的受力状态，将公式（14）代入公式（15），可得到每副拉索的水平附加刚度k ci为：
Figure SMS_69
（16）
其中，k c1和k c2分别表示受压侧拉索的刚度和受拉侧拉索的刚度，对应图3（a）中的压缩侧（LS 1）和拉伸侧（LS 2）拉索的水平刚度，图3（a）中的u为节间段的水平位移，图3（b）为增设交叉拉索节间段的简化力学模型示意图，图3（b）中的k c为两根交叉拉索附加的非线性水平刚度，c c为增设拉索附加的阻尼系数。
根据公式14提供的拉索张力和拉索两挂点之间的弦长变化量δ的近似计算公式，可以得到一根10m长的水平拉索（型号为GJ100，截面积为100mm2）在预应力分别为50~300MPa（间隔为50MPa）范围内的六种状况下张力T与δ的关系曲线，如图4所示，为不同初始预应力下GJ-100型钢绞线张力T与δ的关系曲线图（L=10m，a=0°）。
从图4可以看出，拉索预应力为50MPa时，拉索在初始变形时，其刚度表现为非线性状态，当受拉变形至2mm时，拉索刚度才逐渐恒定；当拉索预应力大于100MPa时，受拉侧拉索刚度为恒定值，所以，应首先按照节间段确定拉索的布置方式，建议增设的拉索的预应力不小于100MPa。
随着拉索预应力的增大，受压侧拉索开始出现非线性刚度的收缩量（线性临界变形δ 0）也越大。当拉索预应力为150MPa时，非线性刚度出现在收缩量为-5mm时；当拉索预应力为250MPa时，非线性刚度出现在收缩量为-9mm时；当收缩变形继续增大时，受压侧的拉索刚度会表现出显著的非线性，当达到极限收缩量（收缩临界变形δ f）时，受压侧拉索的刚度趋近为0。
作为优选方案，所述预应力拉索在所述输电线路铁塔中被设置为若干组交叉拉索，所述交叉拉索在预设风荷载作用下引起的变形包括小变形阶段、中等变形阶段和大变形阶段，小变形阶段的弦向变形量满足0≤δ＜δ 0，中等变形阶段和大变形阶段的弦向变形量满足δ 0≤δ＜δ f，大变形阶段和大变形阶段的弦向变形量满足δ≥δ f，所述交叉拉索在每一个阶段的等效线性刚度的计算步骤如下：
根据增设的交叉拉索的初始参数，利用公式
Figure SMS_70
计算获得两副交叉拉索的水平附加刚度k c1和k c2；
定义两副交叉拉索的水平附加刚度k c1和k c2的绝对差值为：
Figure SMS_71
，根据所述绝对差值求解小变形临界值δ 0和大变形临界值δ f；其中，T c1和T c2分别为两副交叉拉索的张力；
根据小变形临界值δ 0和大变形临界值δ f获得交叉拉索的等效线性刚度；其中，小变形阶段的等效线性刚度为：
Figure SMS_72
，中等变形阶段的等效线性刚度为：
Figure SMS_73
，大变形阶段的等效线性刚度为：/>
Figure SMS_74
，/>
Figure SMS_75
为根据小变形临界值δ 0获得的受拉侧拉索的张力，/>
Figure SMS_76
为根据大变形临界值δ f获得的受压侧拉索的张力。
具体的，结合上述实施例，交叉拉索往往出现一张一缩的受力状态，拉伸侧的刚度保持为恒定值，压缩侧的拉索刚度呈现出非线性，压缩侧拉索的刚度由恒定值转为变化值的临界变形δ 0随拉索预应力的增大而增大，临界变形δ 0越大，压缩侧拉索因收缩变形产生的刚度非线性变化越小，拉索的刚度值越稳定。
如图5所示，绘制了一组交叉拉索在拉伸和收缩变形下的刚度变化曲线，从图5可知，布置在节间段的两副交叉拉索提供的附加等效水平刚度k c为不定值，主要原因是压缩侧的拉索刚度随着节间段结构变形呈现出三阶段逐渐减少的趋势，通过对图5中压缩侧拉索刚度的变化特点分析，得到交叉拉索在变形三个阶段的附加的等效水平刚度k c的计算公式为：
Figure SMS_77
（17）
参见图6所示，为铁塔节间段增设的一组交叉拉索在拉索弦向变形量δ与两根一张一缩拉索提供的等效出力T E之间的关系曲线，结合公式（17）和图6，对交叉拉索在节间段变形三阶段的力学特性描述如下：
第1阶段：小变形阶段（0≤δ＜δ 0）
此时，节间段结构水平侧向变形较小，拉索挂点之间的弦长伸长量和压缩量较小，由于铁塔节间段为短跨的小变形体系，比如弹性水平位移小于10mm，拉索布置长度短（一般布置小于10m），初始应力大，弧垂效应小，拉伸拉索和收缩拉索的刚度值相同，此时节间段布置的交叉拉索提供的附加水平刚度k c为公式（17）中的k c-a，此时称附加水平刚度k c为交叉拉索的等效线性刚度。
第2阶段：中等变形阶段（δ 0≤δ＜δ f）
此时，节间段水平侧向变形较大，拉伸侧拉索的刚度k c2保持常值不变，但拉索的张力快速增长，压缩侧拉索的刚度呈现出典型的非线性特征，其刚度由k c1逐渐减小，在工程中，压缩侧拉索的刚度可以用δ 0和δ f两点之间的割线作为其等效刚度k’ c1，此时k c为公式（17）中的k c-b，此时称附加水平刚度k c为交叉拉索的等效割线刚度。
第3阶段：大变形阶段（δ≥δ f）
此时，节间段水平侧向变形达到很大的程度，收缩侧拉索的张力趋近于零，拉索基本不参与结构受力，在工程中，当压缩侧拉索刚度k c1衰减为拉索初始刚度k c2的2%时，可认为收缩拉索完全退出工作（即k c1=0），为退化线性刚度，此时k c为公式（17）中的k c-c，此时称附加水平刚度k c为交叉拉索的等效退化刚度。
进一步的，假设在已知节间段刚度加固目标的前提下，根据结构特点可初步得到增设交叉拉索的几何和物理参数，具体可采用下述方法求得三阶段的等效水平刚度k c：
首先，根据增设的交叉拉索的初始几何和物理参数（拉索初张力T 0、比载q、截面积A、弹性模量E、长度L及布置角度a等6个参数），利用公式（16）求得两副交叉拉索的等效线性刚度k ci；
其次，求解拉索小变形临界值δ 0和大变形临界值δ f：定义两副交叉拉索的等效线性刚度k c1和k c2之间的绝对差值为χ，其表达式为：
Figure SMS_78
（18）
当0≤δ＜δ 0时，拉伸拉索和收缩拉索的刚度均为等效线性刚度，k c1和k c2之间的绝对差值满足χ≤5%，可以近似认为k c1≈k c2，即可认为压缩侧拉索不松弛；
当δ 0≤δ＜δ f时，收缩侧拉索的刚度具有非线性刚度，随着结构变形的增大，收缩侧刚度逐渐减小，k c1=k c2；
当δ≥δ f时，收缩侧拉索的刚度趋近零值，k c1和k c2之间的绝对差值满足χ≥95%，即可认为压缩侧拉索完全松弛，不参与结构体系的承载。
假定k c1和k c2之间的绝对差值满足χ=5%、χ=95%，联立公式（14）和公式（18）分别求得拉索小变形临界值δ 0和大变形临界值δ f；
最后，在已知拉索小变形临界值δ 0和大变形临界值δ f的基础上，即可得到增设拉索的等效线性刚度k c-a（0≤δ＜δ 0）、等效割线刚度k c-b（δ 0≤δ＜δ f）和退化线性刚度k c-c（δ≥δ f）：
将δ 0代入公式（14）中可得到受拉侧拉索索力
Figure SMS_79
，此时等效线性刚度k c-a为：
Figure SMS_80
（19）
将-δ f代入公式（14）中可得到受压侧拉索索力
Figure SMS_81
，此时等效线性刚度k c-b为：/>
Figure SMS_82
（20）
由公式（19）可得到大变形阶段的交叉拉索退化线性刚度k c-c为：
Figure SMS_83
（21）
以下内容主要介绍增设预应力拉索的铁塔风振评价目标参数：
作为优选方案，所述输电塔-拉索结构体系的塔顶位移振动控制衰减系数为：
Figure SMS_84
，增设拉索的总出力比为：/>
Figure SMS_85
；其中，/>
Figure SMS_86
为塔身节间段位移响应的均方根值，/>
Figure SMS_87
为无拉索条件下塔身位移均方根值，/>
Figure SMS_88
为塔身节间段的总出力，/>
Figure SMS_89
为无拉索条件下塔身的总出力。
具体的，结合上述实施例，在铁塔体内增设交叉预应力拉索可视为在原塔架从上往下的各节间段结构附加了一侧向变刚度单元，拉索的附加节间刚度随铁塔变形实时发生变化，拉索自身的阻尼效应及附加的减振控制装置的阻尼更为复杂，均可简化视为粘滞阻尼。
假定增设拉索的节间段处于小变形阶段，即拉索附件水平刚度k c为等效线性刚度k c-a，通过对布置拉索的铁塔节间段的运动方程（1）进行拉普拉斯变换，得到塔身位移U与风荷载F激励之间的位移传递函数
Figure SMS_90
和总出力传递函数/>
Figure SMS_91
，可表示为：
Figure SMS_92
（22）
其中，s为拉普拉斯系数（s=iΩ，Ω为脉动风激励频率），频率比为Ω/ω，ω为拉索结构体系的固有圆频率；总出力传递函数
Figure SMS_93
由拉索-塔身体系的变形力、阻尼力和惯性力组成，对应体系的势能、阻尼耗能和动能。
脉动风荷载激励的随机性很强，计算结构体系的风振效应有必要适当简化脉动风荷载，将脉动风简化为一个平稳随机过程，即假设脉动风荷载
Figure SMS_94
为一个单侧功率谱密度函数（PSD）为特征的零均值平稳高斯随机过程/>
Figure SMS_95
，用塔身节间段位移表示系统响应的单侧PSD为：
Figure SMS_96
（23）
其中，
Figure SMS_97
为/>
Figure SMS_98
的复共轭转置，/>
Figure SMS_99
为塔身节间段位移的PSD函数，塔身节间段在脉动风随机响应过程可由协方差矩阵描述为：
Figure SMS_100
（24）/>
其中，
Figure SMS_101
为塔身节间段位移响应的均方根值。同理，按照相同的方法可以求得塔身节间段总出力的均方根值/>
Figure SMS_102
。
塔身节间段增设的拉索主要有拉索截面积A、预应力t p和拉索附加阻尼系数ξ d等三个物理参数对铁塔风振控制效果产生较大影响，理论上为了减小铁塔在风荷载作用下的位移响应，可选取截面较大、预应力较大的拉索，这样增设的拉索在控制铁塔振动响应时提供的附加刚度也就更大。为此，设计可选取塔身节间段的位移响应均方根值
Figure SMS_103
和总出力均方根值/>
Figure SMS_104
为控制参数。
对于输电塔-拉索结构体系，可以定义塔顶位移振动控制衰减系数η d和增设拉索的总出力比γ d作为优化控制目标，可表示为：
Figure SMS_105
，/>
Figure SMS_106
（25）
其中，
Figure SMS_107
为塔身节间段位移响应的均方根值，/>
Figure SMS_108
为无拉索条件下塔身位移均方根值，/>
Figure SMS_109
为塔身节间段的总出力，/>
Figure SMS_110
为布置拉索前塔身的总出力；阻尼拉索出力比γ d为拉索-铁塔系统的出力情况，出力越大说明拉索的造价越昂贵。
以下内容主要介绍输电线路铁塔体内拉索参数优化模型的建立及优化流程：
作为优选方案，所述对所述输电线路铁塔中增设的预应力拉索进行优化分析，获得拉索参数，具体包括：
建立所述预应力拉索的双目标优化模型；其中，所述双目标优化模型的表达式为：
Figure SMS_111
，/>
Figure SMS_112
，A为拉索截面积，t p为拉索预应力；
假设所述输电线路铁塔在不通风速下的位移控制目标为预先确定值，将所述双目标优化模型简化为单目标优化模型；其中，所述单目标优化模型的表达式为：
Figure SMS_113
，/>
Figure SMS_114
，η dt为所述抗风性能指标；
根据所述单目标优化模型获得所述预应力拉索的拉索截面积和拉索预应力；
建立所述预应力拉索的全局优化模型，并采用极值条件对所述拉索截面积和所述拉索预应力进行求解，获得所述预应力拉索的优化参数；其中，所述全局优化模型的表达式为：
Figure SMS_115
，/>
Figure SMS_116
，ξ d为拉索附加阻尼系数。
具体的，结合上述实施例，增设体内拉索对输电线路铁塔的风振控制的整体目标是，在满足输电线路铁塔设计风速下的塔顶位移响应需要满足设计抗风性能要求，即塔顶位移满足目标位移的前提下，尽可能的减小拉索设计成本，即减小拉索体系的截面积、初始张力及阻尼系数，用最经济的拉索体系实现设计风速下的位移控制目标。
增设体内拉索的双目标优化模型，其数学式表达为：
Figure SMS_117
，/>
Figure SMS_118
（26）
假定铁塔在不同风速下的位移控制目标为预先确定值，所以可将双目标优化简化为单目标优化问题，即，将双目标优化模型简化为单目标优化模型，其数学式表达为：
Figure SMS_119
，/>
Figure SMS_120
（27）
η dt的取值范围为[0.0，1.0]，采用上述单目标优化模型可得到最优拉索截面面积和拉索预应力组合。但是，在上述优化过程中，拉索附加阻尼比为一常数，实际结构中的风振响应与阻尼系数密切相关，为了进一步优化增设拉索的附加阻尼比，提出基于含有拉索截面面积和拉索预应力参数的封闭解的全局优化模型，并采用极值条件对拉索截面面积和拉索预应力进行优化求解，全局优化模型的数学式表达为：
Figure SMS_121
，/>
Figure SMS_122
（28）
根据公式（28）可以得到设计风速下输电线路铁塔在预定位移减振系数η dt条件下，增设体内拉索的最优物理参数组合，确保设计风速下铁塔位移控制目标的实现的同时，增设拉索的经济性最好。
根据以上优化模型及优化选择拉索的思路，即可总结出自立式输电线路铁塔体内交叉拉索的物理参数全局优化流程，具体如上述实施例所述，这里不再赘述。
目前，输电线路铁塔抗风加固技术和风振控制技术都有其技术局限性，传统的加固技术主要通过增大铁塔杆件的截面，从而提高构件的强度水平和抗侧移刚度，而现有的风振控制技术多在塔顶设置TMD阻尼器进行铁塔调谐减振。但是，杆件截面增大加固技术往往是局部增大，现场施工难度大，容易出现局部强度较小、节点强度无法加固等问题；TMD调谐质量减振技术需要在塔顶增设一个较大的质量，一是会增加铁塔的负荷，二是现场检修、运行很不方便。此外，现有的加固技术和风振控制技术往往是相互独立的，加固技术从某种程度上可以提高输电塔的静载抗风能力，但并没有减振的效果，在脉动风动力荷载的累计作用下，局部加强的铁塔也存在风振倒塔损毁的可能性；而现有的TMD风振控制技术，通过在塔顶增设一个较大的调谐质量块，不仅在塔顶安装布置TMD非常困难，且给铁塔在静风作用下带来了负载效应。
本发明实施例所提供的一种输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法，能够基于输电线路铁塔的抗风性能指标和拉索经济性指标，快速寻找塔身每个节间段拉索所有的设计参数的最优解，实现拉索参数的全局优化；同时，本发明实施例提出的拉索参数全局优化方法，可以在保证加固效果的同时，最大程度的减小拉索设计成果，成功解决了拉索经验设计方法不准确、不经济的问题，为目前拉索加固技术提供了一种新的设计思路，具有极强的工程适用性和鲁棒性。
下面结合上述所有实施例以及实际应用场景，对本发明实施例所提供的参数优化方案进行具体说明：
应用场景一
为了认识拉索参数对典型铁塔节间段位移响应的影响，设计一个布置有拉索的节间段作为典型标准结构模型开展分析，模型的相关力学参数如表1所示，计算拉索截面面积A（0~200mm2）和拉索预应力t（0~200MPa）参数变化时节间段结构模型的位移响应。
表1 塔身标准模型结构参数
Figure SMS_123
拉索控制位移降低系数η随拉索截面积和预应力的增大而减小，说明拉索的效果越好。当布置角度为45°左右、布置长度为5m左右，且拉索截面积大于100mm2、初始预应力大于100MPa时，位移降低系数可达到0.5左右，即增设拉索后的节间段风致响应均方根值降低为原结构的一半；
当布置角度大于60°左右、布置长度为15m左右时，即使继续增大预应力和截面积，位移降低系数最小值也仅在0.6~0.65之间。为此，拉索的建议布置长度范围为5~8m，角度范围为30~50°，预应力范围设为100~150MPa，拉索截面积范围为100~150mm2，以减轻杆塔节间段承载负担。
增加拉索的预应力和选用较大截面积的拉索都会增加铁塔本身的受力，还会导致拉索本身投入成本增大，工程中需要合理选择拉索截面积和预应力，寻求最佳的组合。
分别改变拉索截面面积（0~200mm2）、拉索预应力（0~200MPa）、拉索比载（0~100N/m）和拉索附加阻尼比ξ d（0~0.2），对布置拉索的塔身基准模型开展参数分析，根据分析结果可知，拉索位移减振系数η d和阻尼拉索出力比γ d随拉索参数变化的响应规律相反，主要体现在拉索截面面积、拉索预应力和拉索附加阻尼比上，因此，在实际工程中的拉索设计时，不仅要考虑拉索对节间段的加固性能，即拉索位移减振系数最小，还要充分考虑降低阻尼拉索出力比，以减少工程造价。
应用场景二
某地采用的是“耐-直-直-耐”单回路塔架设跨越方案，跨越段全长1601.7m，其中，直线跨越段档距为1137.4m。台风导致该段线路59#塔倒塔，呼称高为40m的直线跨越塔，塔身断面为矩形，塔底根开为6618×4283mm，跨海段档距为1137m，塔腿主材为∠140×10。计算表明，无论是输电塔线体系还是裸塔，90°风向角（横线路方向）较其他风向角输入下的风振响应大，在V10=41m/s风速作用下，虽然塔腿顶部位置的主材最大应力没有达到屈服极限，但分析得到塔腿顶部主材应力出现转折，也表明在横线路方向大风塔腿顶部位置是薄弱环节，且90°风向角下塔线体系输电塔顶的位移风振系数达到3.025，远超规范推荐的1.456，因此，对于跨度较大输电线路铁塔的抗风设计和安全校核时，在保证杆件强度的前提下，应充分考虑输电线路铁塔的非线性变形及其整体压弯稳定。事实证明，59#塔在台风的作用下（瞬时极大风速为38.6m/s）发生了塔腿顶部的弯折屈曲倒塌，有必要对其进行加固改造。
拉索布置在塔身处，每层四个面布置空间交叉拉索，共布置6层，4根贯通拉索，空间拉索布置参数如表2所示。由于拉索在塔身空间布置，所以横线路方向和顺线路方向布置角度相同、拉索长度相同，其中，塔身各节段的拉索布置如图7所示。
表2 空间拉索布置参数
Figure SMS_124
采用本发明实施例提供的参数优化方法对塔身体内空间拉索的设计参数开展优化设计，其中，铁塔的性能指标位移减振系数η d为0.5，即铁塔的均方根响应降低至原结构的50%，得到优化设计参数如下表3所示。
表3 空间拉索优化设计参数
Figure SMS_125
根据表3可以看出，拉索比载加大需要更大的预应力和截面面积，由于增大了预应力，所以在进行静力计算之前，需要首先验算布置拉索后的塔身的静力变化。表4为增设体内拉索的输电塔AB~FG各层在不同拉索初始张力作用下主材最大压应力及铁塔构件初始内力增大系数。
表4 增设拉索后输电塔主材最大应力及增屈比λ/MPa
Figure SMS_126
结合图8（a）至图8（b）所示，为布置优化设计阻尼拉索后的杆塔在脉动风作用下的塔头位移响应时程（对应图8（a））及功率谱（对应图8（b）），从图8（a）至图8（b）可以看出，塔头位移、均方根值和峰值降低率均超过50%，输电塔晃动较为平稳，拉索对塔身的整体控制较好。由表5和表6可知，当满足均方根性能目标时，一定可以满足峰值性能目标。
表5 杆塔拉索附加阻尼比选择及均方根性能目标
Figure SMS_127
表6 杆塔拉索附加阻尼比选择及峰值性能目标
Figure SMS_128
本发明实施例还提供了一种输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化装置，用于实现上述任一实施例所述的输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法，参见图9所示，是本发明提供的一种输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化装置的一个优选实施例的结构框图，所述装置包括：
铁塔模型建立模块11，用于建立输电线路铁塔的第一有限元模型，并根据所述第一有限元模型确定所述输电线路铁塔在预设风荷载作用下的抗风性能指标；
参数优化分析模块12，用于建立输电塔-拉索结构体系的解析力学模型，并根据所述解析力学模型，结合所述抗风性能指标和拉索经济性指标，对所述输电线路铁塔中增设的预应力拉索进行优化分析，获得拉索参数；其中，所述拉索参数包括拉索截面积、拉索预应力、拉索比载和阻尼比；
参数匹配判断模块13，用于根据所述预应力拉索的型号判断所述拉索比载与所述拉索截面积是否匹配；
参数优化验证模块14，用于当所述拉索比载与所述拉索截面积匹配时，根据所述拉索参数建立拉索加固后的输电线路铁塔的第二有限元模型，并根据所述第二有限元模型进行风振响应分析，以对所述拉索参数进行验证。
需要说明的是，本发明实施例所提供的一种输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化装置，能够实现上述任一实施例所述的输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法的所有流程，装置中的各个模块的作用以及实现的技术效果分别与上述实施例所述的输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法的作用以及实现的技术效果对应相同，这里不再赘述。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序；其中，所述计算机程序在运行时控制所述计算机可读存储介质所在的设备执行上述任一实施例所述的输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法。
本发明实施例还提供了一种输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化装置，参见图10所示，是本发明提供的一种输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化装置的另一个优选实施例的结构框图，所述装置包括处理器10、存储器20以及存储在所述存储器20中且被配置为由所述处理器10执行的计算机程序，所述处理器10在执行所述计算机程序时实现上述任一实施例所述的输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法。
优选地，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元（如计算机程序1、计算机程序2、……），所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器20中，并由所述处理器10执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述装置中的执行过程。
所述处理器10可以是中央处理单元（Central Processing Unit，CPU），还可以是其他通用处理器、数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）、现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，通用处理器可以是微处理器，或者所述处理器10也可以是任何常规的处理器，所述处理器10是所述装置的控制中心，利用各种接口和线路连接所述装置的各个部分。
所述存储器20主要包括程序存储区和数据存储区，其中，程序存储区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序等，数据存储区可存储相关数据等。此外，所述存储器20可以是高速随机存取存储器，还可以是非易失性存储器，例如插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card，SMC）、安全数字（Secure Digital，SD）卡和闪存卡（Flash Card）等，或所述存储器20也可以是其他易失性固态存储器件。
需要说明的是，上述装置可包括，但不仅限于，处理器、存储器，本领域技术人员可以理解，图10结构框图仅仅是上述装置的示例，并不构成对上述装置的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件。
综上，本发明实施例所提供的一种输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法、装置及计算机可读存储介质，能够基于输电线路铁塔的抗风性能指标和拉索经济性指标，快速寻找塔身每个节间段拉索所有的设计参数的最优解，实现拉索参数的全局优化；同时，本发明实施例提出的拉索参数全局优化方法，可以在保证加固效果的同时，最大程度的减小拉索设计成果，成功解决了拉索经验设计方法不准确、不经济的问题，为目前拉索加固技术提供了一种新的设计思路，具有极强的工程适用性和鲁棒性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法，其特征在于，包括：
建立输电线路铁塔的第一有限元模型，并根据所述第一有限元模型确定所述输电线路铁塔在预设风荷载作用下的抗风性能指标；
建立输电塔-拉索结构体系的解析力学模型，并根据所述解析力学模型，结合所述抗风性能指标和拉索经济性指标，对所述输电线路铁塔中增设的预应力拉索进行优化分析，获得拉索参数；其中，所述拉索参数包括拉索截面积、拉索预应力、拉索比载和阻尼比；
根据所述预应力拉索的型号判断所述拉索比载与所述拉索截面积是否匹配；
当所述拉索比载与所述拉索截面积匹配时，根据所述拉索参数建立拉索加固后的输电线路铁塔的第二有限元模型，并根据所述第二有限元模型进行风振响应分析，以对所述拉索参数进行验证；
所述根据所述第一有限元模型确定所述输电线路铁塔在预设风荷载作用下的抗风性能指标，具体包括：根据所述第一有限元模型，并根据工程需求确定风速，通过开展风荷载下的风振分析，确定输电线路铁塔的抗风性能目标；
所述对所述输电线路铁塔中增设的预应力拉索进行优化分析，获得拉索参数，具体包括：
建立所述预应力拉索的双目标优化模型；其中，所述双目标优化模型的表达式为：
Figure QLYQS_1
，/>
Figure QLYQS_2
，γ d为增设拉索的总出力比，η d为塔顶位移振动控制衰减系数，A为拉索截面积，t p为拉索预应力；
假设所述输电线路铁塔在不同风速下的位移控制目标为预先确定值，将所述双目标优化模型简化为单目标优化模型；其中，所述单目标优化模型的表达式为：
Figure QLYQS_3
，
Figure QLYQS_4
，η dt为所述抗风性能指标；
根据所述单目标优化模型获得所述预应力拉索的拉索截面积和拉索预应力；
建立所述预应力拉索的全局优化模型，并采用极值条件对所述拉索截面积和所述拉索预应力进行求解，获得所述预应力拉索的优化参数；其中，所述全局优化模型的表达式为：
Figure QLYQS_5
，/>
Figure QLYQS_6
，ξ d为拉索附加阻尼系数；
所述根据所述第二有限元模型进行风振响应分析，以对所述拉索参数进行验证，具体包括：根据所述第二有限元模型开展风振响应分析，将风振响应的计算结果与目标位移减振比进行对比，判断是否满足铁塔预设性能指标，若满足，则表示预应力拉索的参数设计及优化完成；若不满足，则更换目标位移减振比，并重新开展参数优化流程。
2.如权利要求1所述的输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法，其特征在于，所述输电塔-拉索结构体系在预设风荷载作用下的振动方程为：
Figure QLYQS_7
；其中，U为所述输电线路铁塔的位移向量，F v为向所述输电线路铁塔施加的脉动风荷载，/>
Figure QLYQS_8
为向所述输电线路铁塔施加的平均风荷载，[M]为所述输电线路铁塔的质量矩阵，[K]为所述输电线路铁塔的刚度矩阵，[K]=[K T]+[K C]，[K T]为所述输电线路铁塔的各个节间段的刚度矩阵，[K C]为所述预应力拉索的刚度矩阵，[C]为所述输电线路铁塔的阻尼矩阵，[C]=[C T]+[C C]，[C T]为所述输电线路铁塔的各个节间段的阻尼矩阵，[C C]为所述预应力拉索的阻尼矩阵，且U、[M]、[K T]、[K C]、[C T]和[C C]的表达式分别如下：
Figure QLYQS_9
，u top、u arm、 u bodyi和u bot分别为所述输电线路铁塔的塔头位移、横担位移、第i个塔身节间段的位移和塔腿位移，i为正整数；
Figure QLYQS_10
，m top、m arm、 m bodyi和m bot分别为所述输电线路铁塔的塔头质量、横担质量、第i个塔身节间段的质量和塔腿质量，/>
Figure QLYQS_11
为导、地线质量；
Figure QLYQS_12
，
k top、k arm、 k tbodyi和k bot分别为所述输电线路铁塔的塔头侧向刚度、横担侧向刚度、第i个塔身节间段的侧向刚度和塔腿侧向刚度；
Figure QLYQS_13
，k cbodyi为第i个塔身节间段增设体内拉索的水平附加刚度；
Figure QLYQS_14
，
c top、c arm、 c tbodyi和c bot分别为所述输电线路铁塔的塔头阻尼系数、横担阻尼系数、第i个塔身节间段的阻尼系数和塔腿阻尼系数；
Figure QLYQS_15
，c cbodyi为第i个塔身节间段增设体内拉索的阻尼系数。
3.如权利要求1所述的输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法，其特征在于，所述预应力拉索的拉索形态曲线方程为：
Figure QLYQS_16
，拉索弧长计算公式为：
Figure QLYQS_17
；其中，x为所述预应力拉索的横坐标数据，q为所述预应力拉索的重力比载，T 0为所述预应力拉索的初始张力，L为所述预应力拉索的两个挂点之间的弦向距离，a为所述预应力拉索与地面的夹角，T为所述预应力拉索在预设风荷载作用下发生变化后的张力。
4.如权利要求3所述的输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法，其特征在于，所述预应力拉索在预设风荷载作用下引起的两个挂点之间的弦向变形量为：
Figure QLYQS_18
；其中，/>
Figure QLYQS_19
，ΔS为相对初始张力时的拉索弧长变化量，
Figure QLYQS_20
为初始张力时的拉索弧长，E为拉索弹性模量，A为拉索截面积。
5.如权利要求4所述的输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法，其特征在于，所述预应力拉索在所述输电线路铁塔中被设置为若干组交叉拉索，所述交叉拉索在预设风荷载作用下引起的变形包括小变形阶段、中等变形阶段和大变形阶段，小变形阶段的弦向变形量满足0≤δ＜δ 0，中等变形阶段和大变形阶段的弦向变形量满足δ 0≤δ＜δ f，大变形阶段和大变形阶段的弦向变形量满足δ≥δ f，所述交叉拉索在每一个阶段的等效线性刚度的计算步骤如下：
根据增设的交叉拉索的初始参数，利用公式
Figure QLYQS_21
计算获得两副交叉拉索的水平附加刚度k c1和k c2；
定义两副交叉拉索的水平附加刚度k c1和k c2的绝对差值为：
Figure QLYQS_22
，根据所述绝对差值求解小变形临界值δ 0和大变形临界值δ f；其中，T c1和T c2分别为两副交叉拉索的张力；
根据小变形临界值δ 0和大变形临界值δ f获得交叉拉索的等效线性刚度；其中，小变形阶段的等效线性刚度为：
Figure QLYQS_23
，中等变形阶段的等效线性刚度为：
Figure QLYQS_24
，大变形阶段的等效线性刚度为：/>
Figure QLYQS_25
，/>
Figure QLYQS_26
为根据小变形临界值δ 0获得的受拉侧拉索的张力，/>
Figure QLYQS_27
为根据大变形临界值δ f获得的受压侧拉索的张力。
6.如权利要求1所述的输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法，其特征在于，所述输电塔-拉索结构体系的塔顶位移振动控制衰减系数为：
Figure QLYQS_28
，增设拉索的总出力比为：/>
Figure QLYQS_29
；其中，/>
Figure QLYQS_30
为塔身节间段位移响应的均方根值，/>
Figure QLYQS_31
为无拉索条件下塔身位移均方根值，/>
Figure QLYQS_32
为塔身节间段的总出力，/>
Figure QLYQS_33
为无拉索条件下塔身的总出力。
7.一种输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化装置，其特征在于，用于实现如权利要求1~6中任一项所述的输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法，所述装置包括：
铁塔模型建立模块，用于建立输电线路铁塔的第一有限元模型，并根据所述第一有限元模型确定所述输电线路铁塔在预设风荷载作用下的抗风性能指标；
参数优化分析模块，用于建立输电塔-拉索结构体系的解析力学模型，并根据所述解析力学模型，结合所述抗风性能指标和拉索经济性指标，对所述输电线路铁塔中增设的预应力拉索进行优化分析，获得拉索参数；其中，所述拉索参数包括拉索截面积、拉索预应力、拉索比载和阻尼比；
参数匹配判断模块，用于根据所述预应力拉索的型号判断所述拉索比载与所述拉索截面积是否匹配；
参数优化验证模块，用于当所述拉索比载与所述拉索截面积匹配时，根据所述拉索参数建立拉索加固后的输电线路铁塔的第二有限元模型，并根据所述第二有限元模型进行风振响应分析，以对所述拉索参数进行验证；
所述铁塔模型建立模块根据所述第一有限元模型确定所述输电线路铁塔在预设风荷载作用下的抗风性能指标，具体包括：根据所述第一有限元模型，并根据工程需求确定风速，通过开展风荷载下的风振分析，确定所述输电线路铁塔的抗风性能目标；
所述参数优化分析模块对所述输电线路铁塔中增设的预应力拉索进行优化分析，获得拉索参数，具体包括：
建立所述预应力拉索的双目标优化模型；其中，所述双目标优化模型的表达式为：
Figure QLYQS_34
，/>
Figure QLYQS_35
，γ d为增设拉索的总出力比，η d为塔顶位移振动控制衰减系数，A为拉索截面积，t p为拉索预应力；
假设所述输电线路铁塔在不同风速下的位移控制目标为预先确定值，将所述双目标优化模型简化为单目标优化模型；其中，所述单目标优化模型的表达式为：
Figure QLYQS_36
，
Figure QLYQS_37
，η dt为所述抗风性能指标；
根据所述单目标优化模型获得所述预应力拉索的拉索截面积和拉索预应力；
建立所述预应力拉索的全局优化模型，并采用极值条件对所述拉索截面积和所述拉索预应力进行求解，获得所述预应力拉索的优化参数；其中，所述全局优化模型的表达式为：
Figure QLYQS_38
，/>
Figure QLYQS_39
，ξ d为拉索附加阻尼系数；
所述参数优化验证模块根据所述第二有限元模型进行风振响应分析，以对所述拉索参数进行验证，具体包括：根据所述第二有限元模型开展风振响应分析，将风振响应的计算结果与目标位移减振比进行对比，判断是否满足铁塔预设性能指标，若满足，则表示预应力拉索的参数设计及优化完成；若不满足，则更换目标位移减振比，并重新开展参数优化流程。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序；其中，所述计算机程序在运行时控制所述计算机可读存储介质所在的设备执行如权利要求1~6中任一项所述的输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法。
9.一种输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化装置，其特征在于，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现如权利要求1~6中任一项所述的输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法。
CN202310370829.XA 2023-04-10 2023-04-10 输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法、装置及介质 Active CN116108725B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310370829.XA CN116108725B (zh) 2023-04-10 2023-04-10 输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法、装置及介质

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310370829.XA CN116108725B (zh) 2023-04-10 2023-04-10 输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法、装置及介质

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN116108725A CN116108725A (zh) 2023-05-12
CN116108725B true CN116108725B (zh) 2023-07-14

Family

ID=86264077

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310370829.XA Active CN116108725B (zh) 2023-04-10 2023-04-10 输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法、装置及介质

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116108725B (zh)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111651804A (zh) * 2020-03-31 2020-09-11 重庆科技学院 基于惯性力法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的常规输电塔、线设计风载荷的计算方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013189275A1 (zh) * 2012-06-18 2013-12-27 中国航空规划建设发展有限公司 一种非对称开口式整体张拉索膜结构及其施工和设计方法
EP2787140B1 (de) * 2013-04-04 2015-10-14 MERK Timber GmbH Flachdecke in Holz-Beton-Verbundbauweise und Verfahren zur Herstellung einer solchen Flachdecke
ES2924690T3 (es) * 2017-03-03 2022-10-10 Qingdao Hua Strong Energy Tech Co Ltd Estructura de conexión para armadura de tubo de acero y barril de torre de una torre de generación de energía eólica de celosía
CN112036061B (zh) * 2020-08-07 2024-05-10 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院 全方位长短腿塔线体系有限元建模及动力响应分析方法
CN113062649B (zh) * 2021-03-31 2022-01-18 重庆大学 一种基于参数设计计算的预应力调谐质量阻尼器安装方法
CN114611365A (zh) * 2022-03-22 2022-06-10 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院 基于脉动风影响下输电杆塔结构的动力学分析方法及系统
CN114722674A (zh) * 2022-04-14 2022-07-08 郑州大学 一种基于响应面法的斜拉索力识别优化方法
CN115203783A (zh) * 2022-06-10 2022-10-18 汕头大学 一种抗台风倒塌输电塔杆件局部补强设计方法及系统

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111651804A (zh) * 2020-03-31 2020-09-11 重庆科技学院 基于惯性力法和塔线分离法考虑塔线耦合影响的常规输电塔、线设计风载荷的计算方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN116108725A (zh) 2023-05-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hoenderkamp Shear wall with outrigger trusses on wall and column foundations
Domaneschi Feasible control solutions of the ASCE benchmark cable‐stayed bridge
CN103696356A (zh) 一种设有双排支座体系的多塔斜拉桥
Hosseinaei et al. Optimal design of passive and active control systems in seismic-excited structures using a new modified TLBO
CN116108725B (zh) 输电线路铁塔中预应力拉索的参数优化方法、装置及介质
Goremikins et al. Decreasing displacements of prestressed suspension bridge
Páez et al. Analysis of guyed masts by the stability functions based on the Timoshenko beam-column
CN106400670A (zh) 一种悬索斜拉二次吊杆组合式大跨度桥结构
Vayas et al. Telecommunication and transmission lattice towers from angle sections–the ANGELHY project
CN203625762U (zh) 一种设有双排支座体系的多塔斜拉桥
CN110837705A (zh) 一种悬索桥拉索找力分析方法
Park et al. Mechanical characteristics of large span spoke wheel system
Kaveh et al. Optimum design of laterally supported castellated beams using natural forest regeneration algorithm
Kim et al. Structural stability of cable-stayed bridges
Sun et al. Analysis strategy and parametric study of cable-stayed-suspension bridges
Feng et al. Performance evaluation of inerter-based dampers for bridge flutter control: A comparative study
CN110826211B (zh) 非均布平均风作用下输电线路风荷载的确定方法
Liu et al. Damping of long-span suspension bridges with damped outriggers
Raman et al. Large displacement analysis of guyed towers
Cheng et al. A simplified method for lateral response analysis of suspension bridges under wind loads
Liu et al. Superelasticity SMA cables and its simplified FE model
Duhovnik et al. A comparative criteria method for telecommunications towers with different topological designs
CN105625596A (zh) 一种以舒适度为约束条件的粘滞阻尼器优化设计方法
CN105701362B (zh) 一种以附加阻尼比为约束条件的粘滞阻尼器优化设计方法
Amiri et al. Seismic response of tall guyed telecommunication towers

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant