常年风区戈壁环境下的750kV铁塔可靠性评价方法与流程

常年风区戈壁环境下的750kv铁塔可靠性评价方法
技术领域
1.本发明涉及输电线路可靠性评价方法技术领域，是一种常年风区戈壁环境下的750kv铁塔可靠性评价方法。


背景技术：

2.新疆自治区面积166万平方公里，地形包括山脉、盆地、沙漠、戈壁，自然环境非常恶劣。750kv是新疆特有的电压等级，已形成大环网的供电结构。750kv输电杆塔作为输电线路中的重要环节，其结构健康维系着输电线路的安全运行。750千伏吐哈一线穿越著名的“百里风区”和“三十里风区”，常年主导风为西北风，平均风速为10米/秒，常年气温在
‑
13℃至40℃之间，年平均降水量1.5mm。根据气候特点、风速风向、地理地形等情况。吐哈线受大风影响，杆塔长期承受风载荷与地面基础的上拔载荷，由于导线、绝缘子风偏引起的横向附加力也作用到杆塔横担，使直线塔承受横向拉力，对杆塔基础安全产生了复杂的的叠加应力。如此自然条件及地质环境下750kv输电杆塔的安全运行提出了严峻考验，进行输电线路可靠性评价是解决该问题的重要思路，对评价输电线路的健康状态并进行线路安全预警具有重要的指导意义。
3.鉴于750kv吐哈线跨越百里风区，线路走廊复杂，进行细致的地勘调研及力学分析是准确评价输电塔可靠性和线路安全运行的基础，分析750kv吐哈输电线路的自然条件及赋存环境，建立各基杆塔的承载力模型、稳定性分析模型及健康评价模型，有助于了解各基输电杆塔的运行状态、力学响应、可靠性及健康状态。
4.为了更清晰地反映山地环境中高压输电线路在组合荷载下的力学响应及可靠性，为了提高输电线路塔线体系健康状态评估精度，有必要发明一种有效的方法从理论上确定并描述影响输电线路的控制因素，解决输电线路的力学响应分析、可靠性评价及健康诊断问题。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种常年风区戈壁环境下的750kv铁塔可靠性评价方法，克服了上述现有技术之不足，其能分析不同山地环境中的750kv输电线路的稳定性、风振响应、力学响应及可靠性，实现不同地形条件下的风振系数计算，提高山地环境中高压输电线路力学响应及可靠性分析的计算效率及精度，确保输电线路健康诊断及安全预警的准确性；尤其适用于“新疆750千伏吐哈一线”输电线路的健康诊断及安全预警。
6.本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种常年风区戈壁环境下的750kv铁塔可靠性评价方法，包括以常年风区环境中的高压输电线路为评估对象，所述高压输电线路包括若干个存在地质沉降的戈壁环境中的高压输电塔；影响输电线路可靠性的因素包括所述高压输电塔所在位置的地质隐患情况和风荷载；评估过程所需要参数为高压输电塔所在位置的以下参数：高压输电塔塔基的非连续面、岩体类型和力学参数、高压输电塔基础类型及尺寸、高压输电塔所处位置风速、风振响应和风振系数；根据高压输电塔塔基的非连
续面、岩体类型和力学参数、高压输电塔基础类型及尺寸得到高压输电塔塔基地质隐患情况；根据所述高压输电塔所在位置的风速、风振响应及风振系数得到所述高压输电塔所在位置的风荷载；根据确定的塔基地质隐患情况和风荷载对高压输电线路的可靠性进行评价。
7.下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：
8.上述高压输电塔所在位置的地质隐患情况因素包括塔基环境和塔基承载力，以杆塔地基的非连续面、岩体类型、高压输电塔塔基的力学参数对塔基环境的质量进行分级；以高压输电塔塔基的力学参数、岩体类型、高压输电塔基础类型及尺寸得到塔基承载力，并以塔基承载力获取承载力安全系数；以塔基环境的质量分级结果和承载力安全系数得到压输电塔所在位置的地质隐患情况。
9.上述高压输电塔所在位置的地质隐患情况因素还包括高压输电塔所处位置地形起伏情况。
10.上述根据高压输电塔所在位置的风速、风振响应及风振系数得到杆塔的风荷载，如下述：
11.风压修正系数为：
[0012][0013]
式中：tanα为地面坡度，大于0.3时均取值为0.3；k的取值与山的相对位置相关；z为建筑物的计算位置离地面的高度，大于2.5h时取2.5h；
[0014]
风振系数为：
[0015][0016]
式中：为顺风向平均风荷载；为动力风荷载；
[0017]
修正后的风振系数为：
[0018]
β’(z)＝η
b
β(z)
[0019]
顺风向平均风荷载为：
[0020][0021]
式中：ρ为空气密度；v(z)为计算节点的风速；μ
s
为体型系数；a
s
为节点顺风向的挡风面积；
[0022]
由于杆塔为高耸结构，，以一阶振型为主的取为第一阶风振惯性力峰值，表示为：
[0023][0024]
式中：g为峰值因子；m(z)和σ
a
(z)分别为输电塔计算节点的质量和加速度均方根值；即可得到杆塔的风荷载(杆塔节点的等效风荷载)：
[0025]
[0026]
式中：w为随机风压，为顺风向平均风应变。
[0027]
本发明是一种直接反映风区和新疆特有戈壁地基对输电线路运行影响的分析方法，以塔基地质隐患及风荷载为主控因素，构建多因素协同控制的高压输电线路可靠性分析系统，对新疆戈壁环境中的杆塔健康诊断新的研究思路，为输电线路杆塔微变形情况进行早期诊断一种可靠手段，同时在工程技术上可操作性，具有较高的经济效益。
附图说明
[0028]
附图1为本发明所述铁塔可靠性评价方法的流程图。
[0029]
附图2为杆塔结构图。
[0030]
附图3为杆塔塔基的位移传感器、加速度传感器布置图。
[0031]
附图4为百里风区的风振响应。
[0032]
附图中，1为塔腿主材，2为塔腿斜材，3为塔身底部横材，4为加速度传感器，5为位移传感器，a、b、c、d均为塔脚。
具体实施方式
[0033]
本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。
[0034]
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
[0035]
实施例1：如附图1所示，该常年风区戈壁环境下的750kv铁塔可靠性评价方法，包括以常年风区环境中的高压输电线路为评估对象，所述高压输电线路包括若干个存在地质沉降的戈壁环境中的高压输电塔；影响输电线路可靠性的因素包括所述高压输电塔所在位置的地质隐患情况和风荷载；评估过程所需要参数为高压输电塔所在位置的以下参数：高压输电塔塔基的非连续面、岩体类型和力学参数、高压输电塔基础类型及尺寸、高压输电塔所处位置风速、风振响应和风振系数；根据高压输电塔塔基的非连续面、岩体类型和力学参数、高压输电塔基础类型及尺寸得到高压输电塔塔基地质隐患情况；根据所述高压输电塔所在位置的风速、风振响应及风振系数得到所述高压输电塔所在位置的风荷载；根据确定的塔基地质隐患情况和风荷载对高压输电线路的可靠性进行评价。
[0036]
所述高压输电塔所在位置的地质隐患情况因素包括塔基环境和塔基承载力，以杆塔地基的非连续面、岩体类型、高压输电塔塔基的力学参数对塔基环境的质量进行分级；以根据高压输电塔塔基的力学参数、岩体类型、高压输电塔基础类型及尺寸得到塔基承载力，并以塔基承载力获取承载力安全系数；以塔基环境的质量分级结果和承载力安全系数得到压输电塔所在位置的地质隐患情况。
[0037]
所述高压输电塔所在位置的地质隐患情况因素还包括高压输电塔所处位置地形起伏情况。
[0038]
实施例2：如附图2至3所示，该常年风区戈壁环境下的750kv铁塔可靠性评价方法，以常年大风及存在地质隐患中的杆塔为评估对象，例如新疆“百里风区”的杆塔；
[0039]
1)测定杆塔所在位置的以下参数：
[0040]
a.杆塔地基的非连续面(断层、节理及裂隙)、岩体类型和力学参数；
[0041]
b.杆塔基础类型；
[0042]
c.杆塔基础尺寸；
[0043]
d.杆塔所处位置地形起伏；
[0044]
e.杆塔所处位置年平均风速、极大风速、风振响应和风振系数；
[0045]
杆塔地基的非连续面、岩体类型信息(岩体断层及节理分类)如表1所示，杆塔地基的力学参数(土体强度)如表2所示，按照表3所示杆塔岩体质量的分级标准对表1、2数据进行分级，得到塔基环境岩体质量的分级结果，当评分大于40时，则塔基环境较好，反之，则塔基环境较差。
[0046]
2)根据杆塔基础类型及尺寸、所处位置土体(岩体类型)，力学参数，对杆塔地基承载力进行计算，
[0047]
杆塔地基承载力：
[0048]
z
max
＝0的临塑荷载：p
cr
＝cn
c
qn
q
；
[0049]
z
max
＝b/4的临界荷载：p
1/4
＝cn
c
qn
q
γbn
1/4
；
[0050]
z
max
＝b/3的临界荷载：p
1/3
＝cn
c
qn
q
γbn
1/3
；
[0051]
针对输电线路采用的圆形基础，其极限承载力：
[0052]
整体剪切破坏：p
u
＝1.2cn
c
' qn
q
' 0.6γbn
γ
'
[0053]
局部剪切破坏：p
u
＝0.8cn
c1
' qn
q1
' 0.6γbn
γ1
'
[0054]
式中：z
max
为塑性区最大深度，b为基础宽度，c为介质粘聚力系数，φ为内摩擦角，q为基础上的超载系数，γ为土的浮容重。
[0055]
其中，
[0056]
n
c
＝πcotφ/(cotφ φ
‑
π/2)
[0057]
n
q
＝(cotφ φ π/2)/(cotφ φ
‑
π/2)
[0058]
n
1/4
＝π/[4(cotφ φ
‑
π/2)
[0059]
n
1/3
＝π/[3(cotφ φ
‑
π/2)
[0060][0061]
n
c
'＝(n
q
‑
1)cotφ
[0062]
n
γ
'＝[(k
pr
/2cos2φ)
‑
1]tan(φ/2)
[0063][0064][0065][0066]
基础的安全系数：
[0067]
k＝2至3，表示塔基相对安全，k＜2则塔基不安全，k(承载力安全系数)大于2.5，则说明塔基承载力足够大，[σ]为所采用等级钢筋混凝土材料的许用应力。
[0068]
结合上述塔基环境岩体质量的分级结果和塔基基础的安全系数，评价当前地质环境中的杆塔基础环境状态。
[0069]
3)根据新疆吐哈线百里风区所在位置的平均风速、风振响应(如附图4所示)及风振系数；得到杆塔所处位置的风荷载；实施例中，风振响应是基于ansys建立的数值模型来计算的结果。
[0070]
风压修正系数为：
[0071][0072]
式中：tanα为地面坡度，大于0.3时均取值为0.3；k的取值与山的相对位置相关，一般坡度小于35
°
时取1.4；z为建筑物的计算位置离地面的高度，大于2.5h时取2.5h。
[0073]
风振系数为：
[0074][0075]
式中：为顺风向平均风荷载；为动力风荷载。
[0076]
修正后的风振系数为：
[0077]
β’(z)＝η
b
β(z)
[0078]
顺风向平均风荷载为：
[0079][0080]
式中：ρ为空气密度；v(z)为计算节点的风速；μ
s
为体型系数，角钢塔可取1.3；a
s
为节点顺风向的挡风面积。
[0081]
由于杆塔为高耸结构，以一阶振型为主的可取为第一阶风振惯性力峰值，则可表示为：
[0082][0083]
式中：g为峰值因子，取2.5；m(z)和σ
a
(z)分别为输电塔计算节点的质量和加速度均方根值，加速度均方根值根据风振响应获得。
[0084]
即可得到杆塔节点的等效风荷载：
[0085][0086]
式中：w为随机风压，为顺风向平均风应变。
[0087]
上述描述的风振响应，结合图3中的位移传感器和加速度传感器，可以得到典型输电塔在特性条件下的加速度响应均方根值、位移响应均质及均方根值随着高度及风速的变化规律；上述描述的风振系数，描述了地形变化改变后的杆塔分段风振系数，阐明在风荷载作用下，导线对塔体局部位置的风振系数影响较大。
[0088]
本发明以塔基地质隐患情况(塔基岩体质量评分及塔基承载力分析)和风荷载为主控因素，构建多因素协同控制的高压输电线路健康评价分析模型，考虑典型地质环境下
的输电杆塔，考虑不同塔基变形及地形影响的风载组合工况，提高高山地环境中高压输电线路力学响应及可靠性分析的计算效率及精度，确保输电线路健康诊断及安全预警的准确性，为该输电塔的局部是否需加固、健康状态是否欠佳，提供依据。
[0089]
以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。
[0090]
表1岩体断层及节理分类
[0091][0092]
表2土体强度分类评分
[0093][0094]
表3杆塔岩体质量的分级
[0095]
评分值100至8180至6160至4140至21<20分类类别一级二级三级四级5级描述很好好一般差很差
[0096]
表4：基础类型及尺寸
[0097]