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申请/专利权人：中国电力科学研究院有限公司;国家电网公司;国网福建省电力有限公司;国网福建省电力有限公司经济技术研究院;中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司

摘要：本发明提供了一种非常规风场中输电铁塔最不利工况的确定方法及系统，该法包括：根据获得的风场特性参数计算不同工况下输电铁塔主材应力比；根据风场特性参数和不同工况下的输电铁塔主材应力比进行归一化处理；通过比较所述风场特性参数与所述输电铁塔主材应力比归一化处理后的曲线的一致性确定最显著参数；将最显著参数的最大值或最小值时刻对应的工况，确定为最不利工况。本发明提供的技术方案实现了输电线路机械力学仿真分析中的非常规风作用下的杆塔受力分析及设计优化，大大减少受力分析工况的筛选次数，有效提高了输电塔设计人员的工作效率，提高输电铁塔应对极端气候的能力。

主权项：1.一种非常规风场中输电铁塔最不利工况的确定方法，其特征在于，包括：根据获得的风场特性参数计算不同工况下输电铁塔主材应力比；根据所述风场特性参数和不同工况下的输电铁塔主材应力比进行归一化处理；通过比较所述风场特性参数与所述输电铁塔主材应力比归一化处理后的曲线的一致性确定最显著参数；将所述最显著参数的最大值或最小值时刻对应的工况，确定为最不利工况；所述输电铁塔主材应力比F1按下式计算： 式中，σc,max：最大压应力；σy：材料区域应力；或式中，σt,max：最大拉应力；所述最大拉应力σt,max和最大压应力σc,max分别按下式计算： 式中，N：轴力；F：剪力；M：弯矩；A：截面面积；Wz：截面抗弯系数；

全文数据：一种非常规风场中输电铁塔最不利工况的确定方法及系统技术领域[0001]本发明涉及输电线路机械力学仿真分析研究领域，具体涉及一种非常规风场中输电铁塔最不利工况的确定方法及系统。背景技术[0002]输电线路塔是支持高压或超高压架空送电线路的导线和避雷线的构筑物。输电线路塔主要承受风荷载、冰荷载、线拉力、恒荷载、安装或检修时的人员及工具重以及断线、地震作用等荷载。设计时应考虑这些荷载在不同气象条件下的合理组合。[0003]对输电线路塔进行内力计算时，针对导线风荷载对塔的作用，由于导线的支点间距较大（一般为200〜800米而横向摆动的周期较长一般为5秒左右），故应考虑风沿导线的不均匀分布及导线对塔的动力效应。20世纪60年代初，许多国家的电力部门曾用实际的试验线路来测定导线在大风作用下的最大响应，并据此制订了实用计算法，但是由于受地形、测量仪器的精度、分析水平等各种因素的限制，这些实用计算方法还不能精确反映出真实情况。70年代中期，开始应用随机振动理论分析阵风作用于导线对塔引起的动力响应，这种建立在实测资料基础上并用统计概念及谱分析估计结构响应的概率峰值的方法，比较符合风的特点。[0004]随着全球气候变暖影响愈发深入，极端气候的发生频次和危害程度不断增加。极端气候发生时，所产生的非良态风场所对应的风场特性与常规风迥异，主要体现在平均风速显著增加、湍流强度显著增加和风剖面系数的显著减小。由于这些参数的变化在整个风场发生及移动过程中，都在不断变化，任意时刻所对应的风场特性参数的组合都是不同的，输电铁塔的受力状态也在不断变化。对于设计人员，不可能搞清楚所有风场特性的变化对杆塔受力的影响，更不可能对所有工况进行遍历性的计算。发明内容[0005]为了解决现有技术中所存在的上述不足，并在输电铁塔设计时充分考虑非常规风场对输电铁塔受力状态的影响，本发明提供一种非常规风场中输电铁塔最不利工况的确定方法。[0006]本发明提供的技术方案是：[0007]—种非常规风场中输电铁塔最不利工况的确定方法，包括：[0008]根据获得的风场特性参数计算不同工况下输电铁塔主材应力比；[0009]根据所述风场特性参数和不同工况下的输电铁塔主材应力进行归一化处理；[0010]通过比较所述风场特性参数与所述输电铁塔主材应力比归一化处理后的曲线的一致性确定最显著参数；[0011]将所述最显著参数的最大值或最小值时刻对应的工况，确定为最不利工况。[0012]优选的，所述根据获得的风场特性参数计算不同工况下输电铁塔主材应力比包括：[0013]基于平均风速、湍流强度和对应的风剖面指数选择工况；[0014]对不同工况下的输电铁塔进行受力分析，计算输电铁塔主材应力比；[0015]其中所述选择的工况包括:平均风速和湍流强度各自出现最大值的时刻，以及风剖面指数出现最小值的时刻。[0016]优选的，所述输电铁塔主材应力比F1按下式计算：[0017][001S]式中，〇c,max:最大压应力;0y:材料区域应力；[0019]或[0020]式中，〇t,max:最大拉应力。[0021]优选的，所述最大拉应力〇t,max和最大压应力Oc^max分别按下式计算：[0022][0023]式中，N:轴力;F:剪力;Μ:弯矩;A:截面面积;Wz:截面抗弯系数；[0024][0025]优选的，所述根据所述风场特性参数和不同工况下的输电铁塔主材应力进行归一化处理包括：[0026]将随工况变化而改变的所述风场特性参数和输电铁塔主材应力比进行归一化处理，并绘制所述风场特性参数和输电铁塔主材应力比随工况变化的曲线。。[0027]优选的，通过比较所述风场特性参数与所述输电铁塔主材应力比归一化处理后的曲线的一致性确定最显著参数，包括：[0028]将与所述输电铁塔主材应力比归一化处理后的曲线最接近的风场特性参数随工况变化的曲线所对应的风场特性参数作为敏感性台风风场特性参数。[0029]—种非常规风场中输电铁塔最不利工况的确定系统，包括：[0030]计算模块，用于根据获得的风场特性参数计算不同工况下输电铁塔主材应力比；[0031]处理模块，用于根据所述风场特性参数和不同工况下的输电铁塔主材应力进行归一化处理；[0032]第一确定模块，用于通过比较所述风场特性参数与所述输电铁塔主材应力比归一化处理后的曲线的一致性确定最显著参数；[0033]第二确定模块，用于将所述最显著参数的最大值或最小值时刻对应的工况，确定为最不利工况。[0034]优选的，所述计算模块包括:工况选取单元和分析单元；[0035]工况选取单元，用于基于平均风速、湍流强度和对应的风剖面指数选择工况；[0036]分析单元，用于对不同工况下的输电铁塔进行受力分析，计算输电铁塔主材应力比;其中所述选择的工况包括:平均风速和湍流强度各自出现最大值的时刻，以及风剖面指数出现最小值的时刻。[0037]优选的，所述处理模块包括:归一化单元和绘制单元；[0038]所述归一化单元，用于将随工况变化而改变的所述风场特性参数和输电铁塔主材应力比进行归一化处理；[0039]所述绘制单元，用于绘制所述风场特性参数和输电铁塔主材应力比随工况变化的曲线。[0040]优选的，所述第一确定模块包括:判断单元和选择单元；[0041]所述判断单元，用于将与所述输电铁塔主材应力比随工况编号变化的曲线趋势进行一致性判断；[0042]所述选择单元，用于选择曲线趋势最为一致的曲线对应的参数作为最显著参数。[0043]与现有技术相比，本发明的有益效果为：[0044]本发明提供一种非常规风场中输电铁塔最不利工况的确定方法，通过与所述输电铁塔主材应力比归一化处理后的曲线一致判断确定最显著参数，依据该风场特性参数确定最不利工况，为输电塔设计人员提供设计分析支持，使其只需对最不利工况下的输电铁塔内力进行计算即可。[0045]本发明提供的技术方案直接寻求风场特性参数同杆塔受力的关系，减少确定最不利计算工况所需的试算次数，效率较高。[0046]本发明提供的技术方案通过少量的仿真计算，掌握铁塔受力随风场特性参数的变化规律，从而直接通过分析风场特性参数的变化规律确定铁塔最不利工况，大大减少受力分析工况的筛选次数，有效提高了输电塔设计人员的工作效率，提高输电铁塔应对极端气候的能力。附图说明[0047]图1为本发明的非常规风场中输电铁塔最不利工况的确定方法的流程图；[0048]图2为本发明实施例中某次台风风场特性参数随时间变化曲线；[0049]图3为本发明实施例中某型大跨越杆塔结构及风压分段示意图；[0050]图4为本发明实施例中输电铁塔在各工况下的主材受力沿塔身分布图；[0051]图5为本发明实施例中归一化的台风风场参数及杆件应力比随工况编号变化曲线；[0052]图6为本发明的一种非常规风场中输电铁塔最不利工况的确定系统的结构示意图。具体实施方式[0053]为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明作进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。[0054]本发明提供的非常规风场中输电铁塔最不利工况的确定方法，涉及输电线路机械力学仿真分析中如何确定非常规风作用下的最不利工况，特别适用于台风作用下的杆塔受力分析及设计优化。[0055]实施例1:[0056]本发明实施例提供的非常规风场中输电铁塔最不利工况的确定方法，其具体实施过程如图1所示，包括：[0057]S101:根据获得的风场特性参数计算不同工况下输电铁塔主材应力比；[0058]S102:根据所述风场特性参数和不同工况下的输电铁塔主材应力比进行归一化处理；[0059]S103:通过比较所述风场特性参数与所述输电铁塔主材应力比归一化处理后的曲线的一致性确定最显著参数；[0060]S104:将所述最显著参数的最大值或最小值时刻对应的工况，确定为最不利工况。[0061]步骤SlOl，根据获得的风场特性参数计算不同工况下输电铁塔主材应力比，包括：[0062]根据风场特性参数随时间的变化规律，观测塔观测到的不同高度处平均风速和湍流强度，以及对应的风剖面指数与输电铁塔主材应力直接相关，将平均风速、湍流强度和风剖面指数确定为与输电铁塔主材应力直接相关的风场特性参数。[0063]计算不同工况下输电铁塔主材应力比，包括：[0064]选取不同工况，并对选取的工况下的所述风场特性参数组合进行受力分析，计算输电铁塔主材应力比：[0065]其中，对不同工况的选取按照时间变化曲线的趋势来分析，从时间变化曲线中，选取分别包含了平均风速和湍流强度各自出现最大值的时刻，以及风剖面指数出现最小值的时刻的多个不同工况，并列表体现每个工况的平均风速、风剖面指数和湍流强度。[0066]步骤S102,根据步骤SlOl选取出的不同工况条件，对不同工况下的所述风场特性参数和输电铁塔主材应力比进行归一化处理：[0067]对所述风场特性参数和输电铁塔主材应力比进行归一化处理，并绘制归一化的所述风场特性参数和输电铁塔主材应力比随工况编号变化的曲线。[0068]归一化处理后，步骤S103,通过比较所述风场特性参数与所述输电铁塔主材应力比归一化处理后的曲线的一致性确定最显著参数，包括：[0069]将与所述输电铁塔主材应力比随工况编号变化的曲线趋势进行一致性判断；[0070]选择曲线趋势最为一致的曲线对应的参数作为最显著参数。[0071]实施例2:[0072]本发明还提供一种非常规风场中输电铁塔最不利工况的确定系统，如图6所示，所述系统包括：[0073]参数确定模块，用于根据风场特性参数随时间的变化规律，确定与输电铁塔主材应力直接相关的风场特性参数；[0074]计算模块，用于根据所述风场特性参数，计算不同工况下的输电铁塔主材应力比；[0075]处理模块，用于对不同工况下的所述风场特性参数和输电铁塔主材应力比进行归一化处理；[0076]第一确定模块，用于通过比较所述风场特性参数与所述输电铁塔主材应力比归一化处理后的曲线的一致性确定最显著参数；[0077]第二确定模块，将所述最显著参数的最大值或最小值时刻对应的工况，确定为最不利工况。[0078]所述计算模块包括:工况选取单元和分析单元；[0079]工况选取单元，用于选取包含了平均风速和湍流强度各自出现最大值的时刻，以及风剖面指数出现最小值的时刻的多个不同工况；[0080]分析单元，用于对选取的工况下的所述风场特性参数组合进行受力分析，计算输电铁塔主材应力比。[0081]所述处理模块包括:归一化单元和绘制单元；[0082]所述归一化单元，用于将随工况变化而改变的所述风场特性参数和输电铁塔主材应力比进行归一化处理；[0083]所述绘制单元，用于绘制所述风场特性参数和输电铁塔主材应力比随工况变化的曲线。[0084]所述第一确定模块包括:判断单元和选择单元；[0085]所述判断单元，用于将与所述输电铁塔主材应力比随工况编号变化的曲线趋势进行一致性判断；[0086]所述选择单元，用于选择曲线趋势最为一致的曲线对应的参数作为最显著参数。[0087]实施例3:[0088]以某次台风风场特性参数为例，图2给出了处于A类地貌区域内的观测塔观测到的不同高度处平均风速和湍流强度，以及对应的风剖面指数等风场特性参数，随时间的变化曲线。[0089]考虑到台风行进过程中，输电杆塔与台风中心的相对位置在不断变化，台风自身风场随时间也在不断发生变化，而杆塔内力同时受到平均风速、风剖面指数及湍流强度三者的共同影响。为对上述三个参数的影响差异加以区分，选取了5个不同时段的风场进行研究。这5个时段分别包含了平均风速和湍流强度各自出现最大值的时刻，以及风剖面指数出现最小值的时刻，从而尽可能的保证三种参数共同作用下的最不利荷载工况不会遗漏。下面表1给出了选取的特定时段内风场特性参数取值：[0090][0091][0092]表1风场特性参数组合工况[0093]选取如图3所示的输电铁塔为工况背景，按照步骤2中确定的风场特性参数组合，对其开展受力分析。计算得到所选取的特定工况下的输电铁塔主材应力比沿塔身分布如图4所示。[0094]将平均风速、IOm高湍流强度、风剖面系数以及输电铁塔杆件应力比全部进行归一化，绘制归一化的平均风速、IOm高湍流强度、风剖面系数随工况编号变化曲线，见图5。[0095]对图5分析可知，铁塔杆件应力比变化曲线趋势与平均风速的变化曲线最为一致，判定以平均风速作为最显著参数，依据平均风确定最不利工况为工况4。[0096]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。[0097]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。[0098]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。[0099]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。[0100]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。

权利要求：1.一种非常规风场中输电铁塔最不利工况的确定方法，其特征在于，包括：根据获得的风场特性参数计算不同工况下输电铁塔主材应力比；根据所述风场特性参数和不同工况下的输电铁塔主材应力比进行归一化处理；通过比较所述风场特性参数与所述输电铁塔主材应力比归一化处理后的曲线的一致性确定最显著参数；将所述最显著参数的最大值或最小值时刻对应的工况，确定为最不利工况。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述风场特性参数包括平均风速、湍流强度和风剖面指数；所述根据获得的风场特性参数计算不同工况下输电铁塔主材应力比包括：基于平均风速、湍流强度和对应的风剖面指数选择工况；对不同工况下的输电铁塔进行受力分析，计算输电铁塔主材应力比；其中，所述选择的工况包括:平均风速和湍流强度各自出现最大值时刻对应的工况，以及风剖面指数出现最小值时刻对应的工况。3.如权利要求2所述的确定方法，其特征在于，所述输电铁塔主材应力比Fi按下式计算：式中，:最大压应力;σγ:材料区域应力；或式中，〇t,max:最大拉应力。4.如权利要求3所述的确定方法，其特征在于，所述最大拉应力〇t,max和最大压应力Oc^max分别按下式计算：式中，N:轴力;F:剪力;M:弯矩;A:截面面积;Wz:截面抗弯系数；5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述风场特性参数和不同工况下的输电铁塔主材应力进行归一化处理包括：将随工况变化而改变的所述风场特性参数和输电铁塔主材应力比进行归一化处理，并绘制所述风场特性参数和输电铁塔主材应力比随工况变化的曲线。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过比较所述风场特性参数与所述输电铁塔主材应力比归一化处理后的曲线的一致性确定最显著参数，包括：将与所述输电铁塔主材应力比归一化处理后的曲线最接近的风场特性参数随工况变化的曲线所对应的风场特性参数作为敏感性台风风场特性参数。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述最显著参数的最大值或最小值时刻对应的工况，确定为最不利工况，包括：当最显著参数为平均风速或湍流强度时，所述最显著参数的最大值时刻对应的工况确定为最不利工况；当最显著参数为风剖面指数时，所述最显著参数的最小值时刻对应的工况确定为最不利工况。8.—种非常规风场中输电铁塔最不利工况的确定系统，其特征在于，包括：计算模块，用于根据获得的风场特性参数计算不同工况下输电铁塔主材应力比；处理模块，用于根据所述风场特性参数和不同工况下的输电铁塔主材应力进行归一化处理；第一确定模块，用于通过比较所述风场特性参数与所述输电铁塔主材应力比归一化处理后的曲线的一致性确定最显著参数；第二确定模块，用于将所述最显著参数的最大值或最小值时刻对应的工况，确定为最不利工况。9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述计算模块包括:工况选取单元和分析单元；工况选取单元，用于基于平均风速、湍流强度和对应的风剖面指数选择工况；分析单元，用于对不同工况下的输电铁塔进行受力分析，计算输电铁塔主材应力比；其中所述选择的工况包括:平均风速和湍流强度各自出现最大值的时刻，以及风剖面指数出现最小值的时刻。10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述处理模块包括:归一化单元和绘制单元；所述归一化单元，用于将随工况变化而改变的所述风场特性参数和输电铁塔主材应力比进行归一化处理；所述绘制单元，用于绘制所述风场特性参数和输电铁塔主材应力比随工况变化的曲线。11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第一确定模块包括:判断单元和选择单元；所述判断单元，用于将与所述输电铁塔主材应力比随工况编号变化的曲线趋势进行一致性判断；所述选择单元，用于选择曲线趋势最为一致的曲线对应的参数作为最显著参数。

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