采空区输电塔线体系整体沉降与水平偏移的数字模拟评估方法与流程

本发明涉及输电线路工程结构安全分析，具体而言，涉及一种采空区输电塔线体系整体沉降与水平偏移的数字模拟评估方法。

背景技术：

1、超高压及特高压输电线路作为大容量电能输送的核心骨干载体，其结构的安全稳定运行对社会生产生活至关重要。输电塔线体系通常具有塔体高、跨距大、柔性强等多自由度耦合等特点，这使得该类大型空间桁架结构对地震、风载、覆冰以及地基变形等外部环境荷载反应极为敏感。在实际工程选线与建设过程中，受限于地形地质条件，大量输电线路不可避免地需要穿越地下矿产资源开采后遗留的采空区。采空区是指地下岩层内部因矿产开采形成空洞，随着时间推移和上覆岩层的应力释放，会导致地表发生持续性的、大范围的整体沉降与水平移动。这种非均匀的地基连续大变形会直接作用于输电塔基础，迫使塔腿发生强制位移，进而引起塔体内部产生严重的附加内力并导致内力重分布。当基础沉降或偏移量达到一定程度时，不仅会导致局部塔材构件屈服、失稳，严重时甚至会引发链式反应，导致输电塔线体系整体倒塌，造成不可估量的工程损失。

2、目前，针对采空区输电塔结构力学响应的研究与安全评估方法仍存在诸多局限性，难以满足复杂工程的安全预警需求。首先，现有的数值模拟与评估多集中于单一输电铁塔的沉降响应或进行简化的静力加载分析。然而，实际的输电塔线体系是由多基铁塔通过导线、地线物理连接构成的多塔多线高度耦合结构。当某处地基发生沉降时，边塔与中间塔之间存在极其显著的力学相互作用，且不同塔型组合（如直线塔与耐张塔的不同排列）在沉降作用下的位移传递与内力分布规律存在本质差异。单塔模型完全割裂了导地线对塔体的非线性拉扯效应以及相邻塔间的耦合约束，导致边界条件假设过于理想化，评估结果严重失真。其次，采空区地表的沉降与偏移是一个极其复杂的连续渐变过程，变形量可能从零逐渐累积至数米，传统评估方法往往缺乏针对这种连续大变形的梯度加载模拟机制，难以还原结构力学响应随地表变形加剧的动态演化历程。

3、更为关键的是，在结构安全评估逻辑方面，现有技术普遍依赖于单一的“全局最大应力比”作为判定构件是否安全的唯一依据。这种传统的“点评估”模式在应对复杂的大型多跨塔线耦合结构时，存在严重的“应力平均化”掩蔽效应。由于塔线体系具有极高的超静定特性，当局部基础发生强迫位移时，最大应力比往往只集中出现在一两个极局部的构件上。但实际的结构倒塌往往并非由单一构件失效瞬间引起，而是多个杆件依次屈曲、刚度退化、力流重分配后引发的连锁集体劣化反应。全局最大应力比无法反映这种由于力流传递主干路径异常导致的结构整体稳定性下降。换言之，即使全局最大应力比尚未达到屈服极限，结构内部的主承力通道可能已经出现了非对称偏移、严重中断或载荷向非关键构件异常转移，存在极大的局部失稳集群效应与扭转倾斜风险。传统方法无法从海量杆件中提取并洞察这些深层次的内部力流拓扑演化，从而极易导致对链式破坏风险的漏警，无法实现真正意义上的结构早期倒塌预警。

4、因此，亟需建立一种能够精确反映塔线耦合力学特征、模拟采空区连续位移边界条件的数字模拟评估方法，更需要打破传统单点应力评估的局限，结合位移场、轴力场与构件应力比等关键力学指标，从结构内部力流重分布的角度定量评估不同塔系组合的抗塌陷能力，以实现更具前瞻性和准确性的工程安全预警。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。

2、为此，本发明提供了一种采空区输电塔线体系整体沉降与水平偏移的数字模拟评估方法。

3、本发明提供的一种采空区输电塔线体系整体沉降与水平偏移的数字模拟评估方法，包括：

4、s1、建立包含中间塔和边塔的三塔四线杆梁混合耦合模型，其中输电铁塔的主材及主要构件采用梁单元模拟，次要构件采用杆单元模拟，导地线采用仅受拉的杆单元模拟；基于悬链线理论，通过迭代计算所述导地线的初始长度，使得导地线几何形态在自重与初始拉力作用下满足弹性伸长与几何长度自洽的收敛条件，完成体系的初始状态找形；

5、s2、对所述三塔四线杆梁混合耦合模型中的边塔施加底部固结及导地线端部固定约束，对中间塔的各个塔腿同步施加预设范围的竖向沉降位移和/或水平位移，并进行多梯度的逐级加载，以模拟采空区地表连续渐变变形；

6、s3、提取输电塔线体系在各梯度位移加载下的全局位移响应数据以及全塔各杆件的轴力数据；根据所述轴力数据，筛选出轴力绝对值处于前列的预设数量的关键杆件集合，并基于所述关键杆件集合提取或绘制体现内部主承力通道的高轴力骨架及其可视化云图；

7、s4、提取全塔各杆件的内力数据与截面参数，分别基于受拉构件的强度极限承载力计算逻辑以及受压构件的稳定性极限承载力计算逻辑，计算全塔各杆件在当前加载梯度下的应力比；同时，结合提取的全局位移响应数据与沉降加载步长，计算输电塔线体系的整体抗侧刚度、沉降-位移非线性增长率以及全塔各杆件的刚度退化系数；

8、s5、将全塔各杆件的应力比与预设的安全阈值进行比对，以评估构件级的抗屈服或抗失稳状态；根据所述高轴力骨架的空间分布特征或所述可视化云图，判定高轴力骨架的连续性与对称性状态；同时，分别监控所述整体抗侧刚度的退化拐点、所述沉降-位移非线性增长率的突变状态以及所述刚度退化系数的下降幅度；当满足应力比超限、所述高轴力骨架出现非对称或中断、或所述整体抗侧刚度、沉降-位移非线性增长率及刚度退化系数达到预设的失稳阈值中任意一项或多项条件时，输出输电塔线体系整体失稳或倒塌预警。

9、根据本发明上述技术方案的采空区输电塔线体系整体沉降与水平偏移的数字模拟评估方法，还可以具有以下附加技术特征：

10、在上述技术方案中，在s1中，所述建立包含中间塔和边塔的三塔四线杆梁混合耦合模型包括：

11、根据结构特征对输电铁塔构件进行力学等效划分，将主要承受弯矩和轴向载荷的主材及结构骨架分配为空间梁单元；将仅承受轴向拉压载荷的辅助结构分配为空间杆单元；

12、通过赋予导地线的质量和横截面面积，将所述导地线中的分裂导线等效转换为单根导线，并将绝缘子串设定为具有高弹性模量的刚体杆单元；

13、对模型进行质量修正处理，通过放大材料密度将所述输电铁塔的质量与实际设计重量进行匹配验证。

14、在上述技术方案中，在s1中，所述通过迭代计算所述导地线的初始长度，包括：

15、输入导地线的两端挂点坐标以及设计水平张力；

16、利用悬链线理论或者抛物线近似方程，对导地线弧长进行积分推导其在无应变状态下的原始几何长度；

17、计算导地线在自重及初始张力作用下的弹性伸长量，并判断所述原始几何长度与所述弹性伸长量之差是否满足预设的误差收敛条件；若不满足，则动态调整初始长度参数重新进入迭代，直至达到所述收敛条件并输出准确的初始长度数据。

18、在上述技术方案中，在s2中，所述进行多梯度的逐级加载，包括：

19、将连续渐变的采空区地基变形过程离散化为多个加载步距；

20、在每个加载步距内，对所述中间塔底部节点强制施加预设步长的空间位移载荷边界条件，并重新计算塔线体系在该位移边界下的静力平衡状态；

21、依次循环累加加载步距，直至累加总位移达到模拟设计的极限变形范围，以获取连续沉降过程中的结构响应演化历程。

22、在上述技术方案中，在s3中，筛选关键杆件集合及提取高轴力骨架，包括：

23、从提取的全塔杆件轴力数据中，针对任一加载梯度，计算所有杆件轴力的绝对值并进行降序排列；

24、截取排名前列的所述预设数量的杆件构成关键杆件集合，获取所述关键杆件集合中各杆件的节点坐标与拓扑连接关系；

25、通过三维空间映射，将所述关键杆件及其轴力数值映射为高轴力骨架空间连续性拓扑网络，用以表征当前变形状态下结构的力流传递主干路径。

26、在上述技术方案中，在s4中，分别基于受拉构件的强度极限承载力计算逻辑以及受压构件的稳定性极限承载力计算逻辑进行计算，包括：

27、当杆件内力表现为轴心受拉状态时，所述应力比计算方法包括：

28、

29、其中，为轴心受拉构件的应力比，为轴心受拉构件的承载力设计值或极限承载力，为构件的净截面面积，为钢材的抗拉强度设计值；

30、当杆件内力表现为轴心受压状态时，所述应力比计算方法包括：

31、

32、其中，为轴心受压构件的应力比，为轴心受压构件的稳定系数，a为构件的毛截面面积。

33、在上述技术方案中，所述轴心受压构件的稳定系数根据构件的长细比确定；

34、其中，所述长细比的计算方法包括：

35、

36、其中，为长细比，为构件的计算长度，为截面绕相应主轴的回转半径；

37、所述轴心受压构件的稳定系数与所述长细比呈负相关关系。

38、在上述技术方案中，在s4中，所述输电塔线体系的整体抗侧刚度的计算方法包括：

39、

40、其中，为输电塔线体系的整体抗侧刚度；为作用于塔顶导地线挂点处的等效水平合力；为对应塔顶在水平方向产生的位移。

41、在上述技术方案中，在s4中，所述沉降-位移非线性增长率的计算方法包括：

42、

43、其中，为沉降-位移非线性增长率；为当前沉降深度h下塔体的最大位移；为沉降加载步长，即沉降变化量。

44、在上述技术方案中，在s4中，所述全塔各杆件的刚度退化系数的计算方法包括：

45、

46、其中，为杆件i的刚度退化系数；为钢材初始弹性模量；为杆件i在当前应力状态下的切线模量。

47、在上述技术方案中，在s5中，所述输出输电塔线体系整体失稳或倒塌预警的评估逻辑包括：

48、提取所述全塔各杆件的应力比中的全局最大应力比进行监控，若存在杆件的应力比大于1.0，判定发生局部屈服或失稳破坏；

49、跟踪所述高轴力骨架的拓扑演化，若高轴力骨架的主承力环路未保持闭合，或者由于某侧或某层承力集中导致高轴力构件空间分布产生非对称偏移，判定力流重分布路径异常；

50、当所述整体抗侧刚度随沉降深度的变化曲线出现下降拐点时，判定为体系刚度失稳的起始阈值；

51、当所述沉降-位移非线性增长率大于或等于1.0时，判定结构进入非线性失稳预警区；

52、提取所述关键杆件集合中各杆件的刚度退化系数计算平均值，当所述平均值低于0.85时，判定结构发生显著刚度退化；

53、在上述局部屈服或失稳破坏、力流重分布路径异常、达到体系刚度失稳的起始阈值、进入非线性失稳预警区以及结构发生显著刚度退化任一情形发生时，触发倒塌前兆预警。

54、综上所述，由于采用了上述技术特征，本发明的有益效果是：

55、本发明突破单一应力评估局限，构建了从构件到系统的多维协同抗塌陷预警机制。传统安全评估过度依赖“最大应力比是否超限”这一单一构件级指标，在应对大型高度超静定塔线体系时，极易因“应力平均化”掩蔽效应而导致对整体失稳的漏警。本发明创造性地提出提取并构建体现内部主承力通道的“高轴力骨架”，将无形的结构力流重分布路径进行可视化与逻辑拓扑化。在全局最大应力比尚未达到屈服极限的情况下，依然能够通过捕捉主承力环路的非对称偏移或中断，提前识别结构刚度退化与局部失稳的集群效应，有效规避链式连锁破坏风险。

56、新引入的量化力学指标，实现了对结构刚度退化与位移突变演化历程的精准数学表征。本发明在应力比与高轴力骨架的基础上，进一步构建了三大协同判定指标：通过计算整体抗侧刚度，能够利用下降拐点准确定位体系整体刚度失稳的起始安全阈值；通过引入沉降-位移非线性增长率，能够敏锐识别超出地基沉降速率的“突变式”危险位移响应，提前锁定非线性失稳预警区；通过提取关键杆件的刚度退化系数，精确量化了主承力通道内部发生塑性或屈曲的劣化程度。上述多维量化指标将传统依赖经验的模糊劣化评估，转化为了高精度的系统级判定阈值，大幅提升了灾变预警的前瞻性与绝对准确度。

57、建立高保真度的三塔四线杆梁混合耦合模型，从底层数据源头消除了边界条件理想化带来的评估失真。本发明摒弃了传统的单塔简化分析模型，系统考量了复杂输电塔线体系的多自由度非线性耦合特征。通过严格区分主要受力主材与次要辅助构件并分别采用梁、杆单元模拟，以及引入悬链线理论对导地线进行弹性伸长与几何长度自洽的初始状态找形，完美还原了导地线张力对塔体的非线性拉扯约束以及相邻塔之间的力学传导耗散作用，显著提升了大型空间桁架结构力学响应分析的真实性。

58、提出采空区地表连续大变形的梯度位移加载策略，全景还原了真实的灾变动态演化历程。有别于传统的极值静力单步加载，本发明通过对中间塔基础施加多梯度的竖向沉降位移与水平偏移，动态模拟了地下采空区岩层运移导致的地表持续非均匀变形过程。这种加载方式有效避免了单次大变形导致的计算不收敛，能够输出完整的“沉降位移-力流重分布-刚度退化”连续演化轨迹，帮助评估系统精准捕捉结构从安全裕度消耗、应力重组到最终失稳破坏的各个临界状态。

59、评估逻辑闭环标准化，能够为工程选线与防灾减灾提供直接定量的决策支撑。本发明的数字模拟评估方法打通了从参数输入、耦合找形、连续加载到多维指标综合判定的全自动化分析链路。不仅能够对既有运行线路的安全状态进行高精度的“力流ct扫描”，还能横向定量比对不同塔型组合在同等沉降条件下的抗塌陷性能差异，输出的最优塔系组合及沉降安全阈值建议，为穿越采空区新建输电线路的铁塔选型、档距配置以及在役线路的针对性加固提供了科学、量化的工程依据，具有极高的产业落地价值。

60、本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。