一种输电杆塔结构健康状态监测评估方法及系统

摘要

本发明提供了一种输电杆塔结构健康状态监测评估方法及系统，包括，基于为被评估的输电杆塔构建的模型，采用静力推覆方式得到所述输电杆塔的节间位移计算输电杆塔的节间位移角,从输电杆塔的节间位移角中选择最大的节间位移角，通过最大节间位移角选择损伤指标,基于损伤指标，评估所述输电杆塔结构的健康状态；本发明通过构建模型和静力推覆方式计算节间位移角，通过位移角选取损伤指标，通过损伤指标，有效的得到输电杆塔结构的损伤状态。

说明书

技术领域

本发明涉及电力工程防灾减灾领域，具体讲涉及一种输电杆塔结构健康状态监测评估方法及系统。

背景技术

目前建筑结构损伤指标一般有四种，强度指标、变形指标、能量指标和变形能量双重指标，这些指标难以直接应用于输电杆塔结构，对输电杆塔结构的损伤等级的评估存在困难。

在输电杆塔结构的损伤评估方面，主要存在的问题有：一是，目前尚无针对输电杆塔结构破坏等级划分及对应宏观现象。二是，目前的输电杆塔结构的设计是以杆件的应力为基础的，但是杆件的数目较多，在实际的应用中，难以对所有的杆件的应力进行有效的量测，难以推广应用。而采用整体位移作为输电杆塔结构的损伤指标，有非常大的离散性，不同输电塔的整体位移差别非常大，且难以评估输电杆塔结构的损伤位置和损伤程度。涉及能量的损伤指标计算繁琐，难以广泛应用。三是，损伤评估是采取有效修复措施的基础，对于输电杆塔结构，目前尚无有效的评估方法，给输电杆塔结构的修复带来困难。

发明内容

针对现有技术，无法对输电杆塔的损伤状态进行评估。本发明提出了一种输电杆塔结构健康状态监测评估方法，包括：

基于为被评估的输电杆塔构建的模型，采用静力推覆方式得到所述输电杆塔的节间位移计算输电杆塔的节间位移角；

从输电杆塔的节间位移角中选择最大的节间位移角，通过最大节间位移角选择损伤指标；

基于损伤指标，评估所述输电杆塔结构的健康状态。

优选的，所述基于为被评估的输电杆塔构建的模型，采用静力推覆方式得到所述输电杆塔的节间位移计算输电杆塔的节间位移角，包括：

将输电杆塔模型划分多个节段；

在每个节段的上下节点设置位移计，每个设定时间记录位移数据，获得设定次数位移数据；

基于所述设定次数位移数据，通过输电杆塔结构的最大水平位移与节间高度的比值，计算节间位移角。

优选的，所述从输电杆塔的节间位移角中选择最大的节间位移角，通过最大节间位移角选择损伤指标，包括：

通过倒三角型荷载模式模拟地震计算不同地震作用下输电杆塔的剪力分布；

基于输电杆塔的节间位移角和剪力分布建立输电杆塔静力推覆曲线，得到节间位移角的限值；

以所述限值的倍数为各损伤指标设定阈值；

基于各损伤指标设定的阈值，确定输电杆塔最大节间位移角所在的阈值区间对应的损伤指标。

优选的，所述基于输电杆塔的节间位移角和剪力分布建立输电杆塔静力推覆曲线，得到节间位移角的限值，包括：

基于静力推覆曲线，曲线中线弹性段最大的节间位移角为弹性的节间位移角的限值。

优选的，所述基于损伤指标，评估所述输电杆塔结构的健康状态，包括：

基于设定次数位移数据，选取位移数据中最大水平节间位移；

基于最大节间水平位移计算最大节间位移角；

基于最大节间位移角，判断最大的节间位移角所在的阈值区间得到对应的损伤指标；

基于损伤指标，评估所述输电杆塔结构的健康状态。

优选的，所述节间位移角，按下式计算：

式中：i是节间编号；DR(i)是第i个节间的节间位移角；t是在时程响应分析中的t时刻；u

基于同一发明构思，本发明提供了一种输电杆塔结构健康状态监测评估系统，包括计算模块、选择模块和评估模块：

所述计算模块：用于为被评估的输电杆塔构建的模型，采用静力推覆方式得到所述输电杆塔的节间位移计算输电杆塔的节间位移角；

所述选择模块：用于从输电杆塔的节间位移角中选择最大的节间位移角，通过最大节间位移角选择损伤指标；

所述评估模块：用于对损伤指标，评估所述输电杆塔结构的健康状态。

优选的，所述计算模块包括划分子模块、获取子模块和节间位移角子模块；

所述划分子模块：将输电杆塔模型划分多个节段；

所述获取子模块：在每个节段的上下节点设置位移计，每个设定时间记录位移数据，获得设定次数位移数据；

所述节间位移角子模块：用于将所述设定次数位移数据，通过输电杆塔结构的最大水平位移与节间高度的比值，计算节间位移角。

优选的，所述选择模块包括模拟子模块、限值子模块、阈值子模块和指标子模块：

所述模拟子模块：通过倒三角型荷载模式模拟地震计算不同地震作用下输电杆塔的剪力分布；

所述限值子模块：基于输电杆塔的节间位移角和剪力分布建立输电杆塔静力推覆曲线，得到节间位移角的限值；

所述阈值子模块：以所述限值的倍数为各损伤指标设定阈值；

所述指标子模块：用于对各损伤指标设定的阈值，确定输电杆塔最大节间位移角所在的阈值区间对应的损伤指标。

优选的，所述评估模块包括选取子模块、最大节间位移角子模块、判断子模块和状态子模块：

所述选取子模块：用于对设定次数位移数据，选取位移数据中最大水平节间位移；

所述最大水平节间位移子模块：用于对最大节间水平位移计算最大节间位移角；

所述判断子模块：用于对最大节间位移角，判断最大的节间位移角所在的阈值区间得到对应的损伤指标；

所述状态子模块：用于对损伤指标，评估所述输电杆塔结构的健康状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、一种输电杆塔结构健康状态监测评估方法，包括，基于为被评估的输电杆塔构建的模型，采用静力推覆方式得到所述输电杆塔的节间位移计算输电杆塔的节间位移角，从输电杆塔的节间位移角中选择最大的节间位移角，通过最大节间位移角选择损伤指标，基于损伤指标，评估所述输电杆塔结构的健康状态；本发明通过构建模型和静力推覆方式计算节间位移角，通过位移角选取损伤指标，通过损伤指标，有效的得到输电杆塔结构的损伤状态。

2、本发明通过判断最大节间位移角所在的限值区间对应的损伤指标，得到输电杆塔的健康程度，有效的判断出输电杆塔的状态。

附图说明

图1为本发明的输电杆塔结构健康状态监测评估方法示意图；

图2为本发明的节间位移角示意图；

图3为本发明的节间示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。

实施例1

结合图1，本发明提供了一种输电杆塔结构健康状态监测评估方法，包括：

步骤一：基于为被评估的输电杆塔构建的模型，采用静力推覆方式得到输电杆塔的节间位移计算输电杆塔的节间位移角；

步骤二：从输电杆塔的节间位移角中选择最大的节间位移角，通过最大节间位移角选择损伤指标；

步骤三：基于损伤指标，评估输电杆塔结构的健康状态。

其中，步骤一：基于为被评估的输电杆塔构建的模型，采用静力推覆方式得到输电杆塔的节间位移计算输电杆塔的节间位移角，包括：

将输电杆塔模型划分多个节段；

在每个节段的上下节点设置位移计，每个设定时间记录位移数据，获得设定次数位移数据；

基于设定次数位移数据，通过输电杆塔结构的最大水平位移与节间高度的比值，计算节间位移角。

其中，步骤二：从输电杆塔的节间位移角中选择最大的节间位移角，通过最大节间位移角选择损伤指标，包括：

通过倒三角型荷载模式模拟地震计算不同地震作用下输电杆塔的剪力分布；

基于输电杆塔的节间位移角和剪力分布建立输电杆塔静力推覆曲线，得到节间位移角的限值；

以限值的倍数为各损伤指标设定阈值；

基于各损伤指标设定的阈值，确定输电杆塔最大节间位移角所在的阈值区间对应的损伤指标。

基于输电杆塔的节间位移角和剪力分布建立输电杆塔静力推覆曲线，得到节间位移角的限值，包括：

基于静力推覆曲线，曲线中线弹性段最大的节间位移角为弹性的节间位移角的限值。

其中，步骤三：基于损伤指标，评估输电杆塔结构的健康状态，包括：

基于设定次数位移数据，选取位移数据中最大水平节间位移；

基于最大节间水平位移计算最大节间位移角；

基于最大节间位移角，判断最大的节间位移角所在的阈值区间得到对应的损伤指标；

基于损伤指标，评估输电杆塔结构的健康状态。

优选的，节间位移角，按下式计算：

式中：i是节间编号；DR(i)是第i个节间的节间位移角；t是在时程响应分析中的t时刻；u

实施例2

目前输电杆塔结构没有明确的破坏等级的划分。

《建(构)筑物地震破坏划分等级》GB/T 24335-2009和《中国地震烈度表》GB/T17742-2008中规定，建筑物划分为五个破坏等级，分别是基本完好(好)、轻微破坏(轻)、中等破坏(中)、严重破坏(严)和毁坏(毁)(中华人民共和国国家标准，2009；中华人民共和国国家标准，2008)，五个破坏等级的宏观破坏现象和震害指数结合表1所示。

表1破坏等级及对应宏观现象和震害指数表

对于钢框架结构，《建(构)筑物地震破坏划分等级》(GB/T 24335-2009)中规定了钢框架的破坏等级，结合表2所示(中华人民共和国国家标准，2009)。

表2钢框架破坏等级及对应宏观现象

对于输电线路，《生命线工程地震破坏等级划分》(GB/T24336-2009)中规定输电线路的地震破坏以“整条线路”为单位评定破坏等级，破坏等级划分结合表3、表45和表6所示(中华人民共和国国家标准，2009)。

表3输电线路破坏等级及对应宏观现象

对于损伤指标，迄今为止，已提出了许多种不同的损伤指标，所有这些损伤指标可以归纳为以下四类：

(1)强度损伤指标

强度损伤指标是应用最广的破坏指标，基于容许应力法和基于承载能力极限状态法的结构设计均是基于此指标：

σ≤[σ]

对承载能力极限状态法，强度损伤指标满足的形式为:

强度损伤指标直观，输电杆塔结构设计采用强度损伤指标设计，但结构抗震设计时，通常允许结构在预期的强震动作用下发生弹塑性变形，损伤判定的标准与静力设计不一致。

本文选取最大输电塔的杆件的最大应力比作为强度损伤指标进行研究。

(2)变形损伤指标

变形损伤指标规定结构的最大位移反应不超过一个容许的最大变形(破坏界限值)。该变形损伤指标的形式如下:

Δ

式中，Δ

对结构抗震设计而言，采用变形损伤指标有一定的合理性。结构的最大层间位移角是用来表征结构在地震作用下破坏程度的一个重要指标。在《建筑结构抗震设计规范》GB50010-2010(中华人民共和国国家标准，2010)中对各类结构在地震作用下的最大弹性和塑性层间位移角限值都有明确的规定。

表4破坏等级与层间位移角对应关系表

在《建筑结构抗震设计规范》GB 50010-2010给出了钢筋混凝土框架结构“弹性层间位移角”限值取1/550，“弹塑性层间位移角”限值取1/50(中华人民共和国国家标准，2010)。对于钢结构的层间位移限制，在弹性阶段，日本定为层高的1/200，我国规范参照美国加州规范(1988)，对自振周期大于0.7s的结构取为1/250(中华人民共和国国家标准，2010)。对于高层钢结构，美国ATC3-06规定，II类危险性的建筑，层间位移角的限值是1/67；在美国AISC《房屋钢结构抗震规定》(1997)中规定，弹性位移角限值是1/300，对于双重抗侧力体系中的框架-中心支撑结构，大震位移角放大系数取5，弹塑性位移角限值为1/60。对于框架-偏心支撑结构，大震位移角放大系数取4，对应的弹塑性位移角限值为1/75。我国规范《建筑结构抗震设计规范》GB 50010-2010中指出钢结构在构件不发生稳定破坏的情况下具有较好的延性，弹塑性层间位移角限值可以适当放宽到1/50。高小旺统计分析了27个钢梁柱组合件的试验结果，建议大震变形验算的钢框架层间位移角限值取为1/60(高小旺，1989)。

对于输电塔这种结构类型，《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》(DLT5154-2012)中规定在长期荷载效应组合作用下，杆塔的计算挠度应符合表5-9的规定(电力行业标准，2012)。

表5杆塔的计算挠度(不包括基础倾斜和拉线点位移)

注:h为杆塔最长接腿基础顶面起至计算点处高度。

(3)能量损伤指标

House最早提出了结构抗震设计中的能量概念，现有的抗震设计方法和技术也可以使用能量的思想进行解释(闫金鑫，2012)。在地震的作用下，结构以多种能量形式耗散(薛云勤，2016)。但由于按能量观点建立起来的结构损伤指标计算繁琐，难以广泛应用。

(4)变形和能量双重损伤指标

1985年Park和Ang提出的变形和能量的双重损伤指标，同时考虑了最大变形和累积滞回耗能，损伤指标DI的定义为：

对于单自由度系统，式中的DI表示变形和能量双重损伤指标，δ

变形和能量双重损伤指标同时考虑了最大变形和累积损伤效应，相对比较合理，但计算繁琐，难以广泛应用。

目前输电杆塔结构的破坏等级并不明确，主要通过原型试验进行损伤等级的判定。现有的损伤指标较少，难以反映损伤的位置和损伤的程度。因此有必要给出输电杆塔结构的损伤评估方法，选取输电杆塔结构的损伤指标，提出输电杆塔结构的破坏等级，采用弹塑性静力推覆分析的方式，评估输电杆塔结构的破坏等级。

本发明提出了输电杆塔结构破坏等级及对应的宏观现象，并采用节间位移角作为损伤指标，采用弹塑性静力推覆分析的方式，可以方便的显示出输电杆塔结构损伤的位置和损伤的程度，评估输电杆塔结构的破坏等级。并为输电杆塔结构易损性分析提供了基础。

本发明提出的损伤判定方法，可以为实际工程中输电杆塔结构的监测评估提供依据。

本发明主要解决的技术问题是，输电杆塔结构损伤评估的问题，提供一种评估方法，采用节间位移角作为损伤指标，采用弹塑性静力推覆分析的方式，可以方便的显示出输电杆塔结构损伤的位置和损伤的程度，评估输电杆塔结构的破坏等级。

本发明提出输电杆塔结构的破坏等级划分及对应的宏观现象。

表6杆塔结构破坏等级及对应宏观现象

本发明提出节间位移角(ISDR)，是指是指在风荷载或多遇地震标准值作用下的输电杆塔结构扣除旋转变形后的节间的最大水平位移与节间高度之比。不是直接把结构的层间位移角概念应用于输电塔，而是扣除了输电塔结构每个节间的底部(不包括第一节间)发生的旋转变形。在《建筑结构抗震设计规范》GB50010-2010中规定如果高层建筑的高度超过150m，或是高宽比大于6时，可以扣除结构的整体弯曲产生的楼层水平绝对位移值，结合图2。

式中：i是节间编号；DR(i)是第i个节间的节间位移角；t是在时程响应分析中的t时刻；ui(t)和ui-1(t)分别是顶部和底部在第t时刻的位移；hi和hi-1分别是第i个节间的顶部和底部的高度。

本发明使用的节间，是相对均匀的在全塔上分布，对于塔身及以下部位，按照完整的节段划分。对于塔头部位，节间的划分考虑与塔身部位的节间高度接近。

(3)本发明通过对猫头型、酒杯型、直流直线塔、干字型塔、双回直线塔、双回转角塔等输电塔进行静力推覆分析，并通过统计分析得到基于节间位移角的损伤等级与损伤指标的对应关系。

输电杆塔结构损伤等级与损伤指标对应关系，得到不同破坏等级对应的节间位移角，如表7所示。

表7输电杆塔结构损伤等级表

(4)本发明对输电杆塔结构进行损伤评估，针对特定的工况，进行静力推覆分析，找到输电杆塔结构最大的节间位移角，按照损伤等级划分表，对其进行损伤评估。

本发明主要解决的技术问题是，输电杆塔结构损伤评估的问题，提供一种评估方法，采用节间位移角作为损伤指标，采用弹塑性静力推覆分析的方式，可以方便的显示出输电杆塔结构损伤的位置和损伤的程度，评估输电杆塔结构的破坏等级。

(1)本发明提出输电杆塔结构的破坏等级划分及对应的宏观现象。

(2)本发明提出节间位移角(ISDR)，是指是指在风荷载或多遇地震标准值作用下的输电杆塔结构扣除旋转变形后的节间的最大水平位移与节间高度之比。

(3)本发明使用的节间，是相对均匀的在全塔上分布，对于塔身及以下部位，按照完整的节段划分。对于塔头部位，节间的划分考虑与塔身部位的节间高度接近。

(4)本发明通过对猫头型、酒杯型、直流直线塔、干字型塔、双回直线塔、双回转角塔等输电塔进行静力推覆分析，并通过统计分析得到基于节间位移角的损伤等级与损伤指标的对应关系。

输电杆塔结构损伤等级与损伤指标对应关系，得到不同破坏等级对应的节间位移角，结合表7。

(5)本发明对输电杆塔结构进行损伤评估，针对特定的工况，进行静力推覆分析，找到输电杆塔结构最大的节间位移角，按照损伤等级划分表，对其进行损伤评估。

实施例3

交流ZM2直线塔是国内第一基1000kV输电线路原型试验塔，外形为猫头型，导线8×LGJ-500/35，中相为V串，左右相为I串，地线为JLB20A-185。最大设计风速28m/s，最大覆冰10mm，设计水平档距530m，垂直档距650m，最小垂直档距200m。试验塔呼高为59m，全高79.3m，根开16.66m，塔重59t。塔身主材及塔头下曲臂部分主材采用Q420高强钢，塔腿主材1角钢最大规格为Q420∟200×20，全塔使用Q420高强钢11.8t，占全塔比重20％。其余部分采用圆截面钢材，强度为Q235或Q420。ZM2直线塔包括：主材1、斜材2和辅助材3，结合图3，其中红线标示出Q420级高强钢的应用位置。

对杆塔结构进行节间划分

本发明使用的节间，是相对均匀的在全塔上分布，对于塔身及以下部位，按照完整的节段划分。对于塔头部位，节间的划分考虑与塔身部位的节间高度接近。

结合图3，点D1、D2间为第1节间J1，点D2、D3间为第2节间J2，点D3、D4间为第3节间J3，点D4、D5间为第4节间J4，点D5、D6间为第5节间J5，点D6、D7间为第6节间J6，点D7、D8间为第7节间J7。

通过监测得到各节点的位移。然后通过计算得到节间位移角。

式中：i是节间编号；DR(i)是第i个节间的节间位移角；t是在时程响应分析中的t时刻；ui(t)和ui-1(t)分别是顶部和底部在第t时刻的位移；hi和hi-1分别是第i个节间的顶部和底部的高度。

通过计算某一时刻，最大的节间位移角为0.015。

对输电杆塔结构进行健康评估

根据输电杆塔结构损伤等级与损伤指标对应关系，如表7所示。

表7输电杆塔结构损伤等级表

最大的节间位移角小于1/50，输电杆塔结构的健康状态评估为基本完好。

实施例4

本发明使用的节间，是相对均匀的在全塔上分布，对于塔身及以下部位，按照完整的节段划分。对于塔头部位，节间的划分考虑与塔身部位的节间高度接近。

采用不同的侧向力分布形式来模拟地震作用下结构的剪力分布，不同的侧向力分布形式对分析结果的影响很大，本发明采用倒三角型荷载模式模拟地震力，输电塔上各节点的侧向力按照以下公式确定：

式中：F

G

H

F

本发明对特高压输电杆塔结构进行静力推覆分析，以修正的节间位移角为横轴，以塔底剪力为纵轴的静力推覆曲线，曲线中线弹性段最大的修正节间位移角为弹性修正的节间位移角的限值。

本发明根据特高压输电杆塔结构损伤等级与弹性修正的节间位移角的限值的对应关系，划分特高压输电杆塔结构的损伤等级。

实施例5

基于同一发明构思，本发明提供了一种输电杆塔结构健康状态监测评估系统，包括计算模块、选择模块和评估模块：

计算模块：用于为被评估的输电杆塔构建的模型，采用静力推覆方式得到输电杆塔的节间位移计算输电杆塔的节间位移角；

选择模块：用于从输电杆塔的节间位移角中选择最大的节间位移角，通过最大节间位移角选择损伤指标；

评估模块：用于对损伤指标，评估输电杆塔结构的健康状态。

计算模块包括划分子模块、获取子模块和节间位移角子模块；

划分子模块：将输电杆塔模型划分多个节段；

获取子模块：在每个节段的上下节点设置位移计，每个设定时间记录位移数据，获得设定次数位移数据；

节间位移角子模块：用于将设定次数位移数据，通过输电杆塔结构的最大水平位移与节间高度的比值，计算节间位移角。

选择模块包括模拟子模块、限值子模块、阈值子模块和指标子模块：

模拟子模块：通过倒三角型荷载模式模拟地震计算不同地震作用下输电杆塔的剪力分布；

限值子模块：基于输电杆塔的节间位移角和剪力分布建立输电杆塔静力推覆曲线，得到节间位移角的限值；

阈值子模块：以限值的倍数为各损伤指标设定阈值；

指标子模块：用于对各损伤指标设定的阈值，确定输电杆塔最大节间位移角所在的阈值区间对应的损伤指标。

评估模块包括选取子模块、最大节间位移角子模块、判断子模块和状态子模块：

选取子模块：用于对设定次数位移数据，选取位移数据中最大水平节间位移；

最大水平节间位移子模块：用于对最大节间水平位移计算最大节间位移角；

判断子模块：用于对最大节间位移角，判断最大的节间位移角所在的阈值区间得到对应的损伤指标；

状态子模块：用于对损伤指标，评估输电杆塔结构的健康状态。

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。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。