CN105865826A - 带电线锥形电杆风载荷作用下基础抗倾覆试验方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带电线锥形电杆风载荷作用下基础抗倾覆模拟试验方法：首先基于谐波合成法和达文谱（Davenport谱）获得特定风等级的动态风速值，然后分别计算风力作用下锥形电杆和电线所分布风载荷对地面的等效力矩，得出等效总力矩，再根据电杆等效力加载点距离地面的高度值确定加载点的等效力，最后进行抗倾覆测试；本发明还提供一种带电线锥形电杆风载荷作用下基础抗倾覆模拟试验装置。本发明采用单点施加等效力的方法来测试带电线锥形电杆在一定风速作用下基础的抗倾覆能力，该方法具有操作简单、耗时少，成本低、模拟精确的优点。

Description

带电线锥形电杆风载荷作用下基础抗倾覆试验方法及装置

技术领域

本发明涉及一种带电线锥形电杆风载荷作用下基础抗倾覆试验方法及装置。

背景技术

在电力***的输配电线路中，会用到大量的电杆，锥形电杆是其中重要的一类，应用极为广泛。在多风地区，电杆倒掉的现象十分频繁，导致电力供应经常被中断，严重影响了人们的生产和生活，倒杆的主要原因是电杆基础施工存在缺陷，不能抵御风力作用于电杆时对基础的弯矩，因此，十分必要对电杆基础进行风载荷抗倾覆试验，以评估电杆基础施工方法的正确性。

因为台风风速是不断变化的，所以作用在电杆及其电线上的风载荷也是变化的。以往对电杆基础进行风载荷抗倾覆试验大多只是做静态加载，但是静态加载很难达到与台风同样的作用效果，因为变化的风载荷会使电杆产生晃动，从而使电杆基础产生松动，这会减弱电杆基础的抗倾覆能力。所以，我们需要一个能反映风载荷动态特性的电杆基础抗倾覆试验方法，提高试验的准确性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种带电线锥形电杆风载荷作用下基础抗倾覆试验方法及装置，具有操作简单、试验周期短、成本低及准确性高的特点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种带电线锥形电杆风载荷作用下基础抗倾覆试验方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：基于谐波合成法和达文谱计算特定风等级P的风速时程v(t)：

式中，S(ω₀＝0)＝0，ω_n＝nΔω，n＝0,1,…,N-1，Δω＝Nω_u，N为风速点的个数，ω_u为截断频率，为[0,2π]上均匀分布、相互独立的随机相位角，t表示时间，U₀为特定风等级的平均风速，达文谱S(ω_n)的表达式为：

$S\left({\mathrm{\ω}}_n\right)=\frac{4{\mathrm{kU}}_{10}^2{x}^2}{f{(1+x^2)}^{4/3}}$

式中，x＝1200f/U₁₀，U₁₀为10m高度处的平均风速，f为不超过ω_u的脉动风频率，k为地面粗糙度系数；

步骤S2：基于所述风速时程v(t)，计算风压时程w₀(t)：

$w_0\left(t\right)=\frac{v{\left(t\right)}^2}{1600}$

步骤S3：计算锥形电杆风载荷相对地面的等效弯矩时程，即提出顶部直径为d，锥度为α，杆高为H，电杆埋深为h的锥形电杆风载荷对地面的等效弯矩时程M₁(t)：

$M_1\left(t\right)={\mathrm{\β\μ}}_s{\mathrm{\μ}}_z{w}_0\left(t\right){\∫}_0^{H-h}x\[\mathrm{\α}(H-h)+d-\mathrm{\α}x\]dx$

求积分可得：

$M_1\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\β\μ}}_s{\mathrm{\μ}}_z{w}_0\left(t\right){(H-h)}^2\[(H-h)\mathrm{\α}+3d\]}{6}$

式中，β为与杆高有关的风振系数，μ_s为与电杆横截面形状有关的风荷载体型系数，μ_z为与风场环境有关的风压高度变化系数；

步骤S4：计算电线上所受风载荷相对于地面的等效弯矩时程M₂(t)：

M₂(t)＝nλμ_xDLw₀(t)(H-h)

式中：D为电线计算外径，L为电杆水平档距，n为电杆架设电线根数，λ为与风速有关的风压不均匀系数系数，μ_x为与电线外径大小有关的风荷载体型系数；

步骤S5：确定电杆确定加载点的等效力矩时程F(t)：

$F\left(t\right)=\frac{M_1\left(t\right)+M_2\left(t\right)}{\stackrel{\‾}{H}}$

其中，为电杆力加载点距离地面的高度值；

步骤S6：在电杆上安装倾角传感器，保证倾角传感器的测量方向与等效力的方向一致，并记录下倾角传感器的初始值；

步骤S7：电杆基础抗倾覆测试：在电杆加载点施加等效力矩时程，用倾角传感器实时测量电杆倾角值，并减去倾角传感器的初始值，得到电杆倾角的变化范围；当电杆倾角的变化在允许范围内，则表明电杆基础在P级风载荷作用下是牢靠的；当电杆倾角的变化大于最大允许值时，则说明电杆基础是不牢靠的，在P级风载荷作用下可能会发生倒杆现象。

一种带电线锥形电杆风载荷作用下基础抗倾覆试验装置，包括电杆、钢丝绳、第一滑轮、第二滑轮、力传感器及动力加载装置，其特征在于：所述钢丝绳的一端与电杆顶端固定连接，所述钢丝绳的另一端依次绕过第一滑轮与第二滑轮后与所述动力加载装置连接，所述第 一滑轮与电杆顶端处于同一高度，所述力传感器设置于所述钢丝绳上用于实时检测钢丝绳的拉力。

进一步的，所述动力加载装置包括支架，设置于支架上的减速机，设置于减速机的输出轴上的用于缠绕钢丝绳的转盘及设置于减速机的输入轴上的伺服电机。

进一步的，所述转盘沿周向设置有凹槽。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明采用单点加载的方法来代替风载荷对电杆的力矩作用，并同时考虑了风载荷的动态特性，采用该方法操作简单、试验周期短、成本低、准确性高，可以使用于各种尺寸的电杆基础的风载荷模拟试验，具有显著的经济效应。

附图说明

图1是本发明风载荷试验示意图。

图2是本发明的试验方法流程图。

图3是本发明一实施例的试验装置示意图。

图4是本发明一实施例的动力加载装置示意图。

图5是本发明等效力跟踪方法原理图。

图6是本发明一实施例的12级风速模拟图。

图7是本发明一实施例得到的12级风载荷的等效力图。

图中：1-电杆；11-倾角传感器；2-钢丝绳；3-第一滑轮；4-第二滑轮；5-力传感器；6-动力加载装置；61-伺服电机；62-支架；63-减速机；64-转盘。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：12级台风下，某带电线9m电杆(锥形电杆)的抗倾覆力矩测试，请参照图2，具体流程如下：

步骤S1：基于谐波合成法和达文谱计算12级台风的风速时程，结果如图6所示：

步骤S2：风压时程计算

由于步骤S1得到的是风速时程，每个时刻都对应了一个风速值，为了便于说明，在此只计算某一时刻(设此时刻风速为45m/s)作用于电杆的顺风向风场风压为：

$w_0\left(t\right)=\frac{v{\left(t\right)}^2}{1600}=\frac{{45}^2}{1600}=1.266KN/m^2$

步骤S3：电杆自身风载荷对于地面的等效弯矩时程计算

该锥形电杆的长度为9m，埋深为1.6m，顶径为150mm，锥度为1:75。查阅标准可得风振系数为1，电杆风荷载体型系数为0.6，风压高度变化系数为1。电杆自身风载荷的等效弯矩时程为：

$M_1\left(t\right)=\frac{0.6\×w_0\left(t\right)\×{(9-1.6)}^2\[(9-1.6)/75+3\×0.15\]}{6}=3.004\×w_0\left(t\right)=3.803KN\·m$

步骤S4：电线上风载荷对于地面的等效弯矩时程计算

电线根数为5，电线外径为15mm，电杆水平档距为50m。查阅标准可得风压不均匀系数为0.7，电线风荷载体型系数为1.2。电线风载荷的等效弯矩时程为：

M₂(t)＝5×0.7×1.2×0.015×50×w₀(t)×(9-1.6)＝23.31×w₀(t)＝29.51KN·m

步骤S5：电杆加载点的等效力时程计算

设加载点的离地高度为6.5m，如图7所示，加载点的等效力时程为：

$F\left(t\right)=\frac{(3.004+23.31)\×w_0\left(t\right)}{6.5}=4.05\×w_0\left(t\right)=5.127KN\·m$

步骤S6：安装倾角传感器

请参照图1，在电杆1上安装倾角传感器11，保证倾角传感器11的测量方向与等效力的方向一致，并记录下倾角传感器11的初始值，图中为等效力加载点距离地面的高度。

步骤S7：电杆基础抗倾覆测试

将步骤S5得到的等效力时程施加在电杆的加载点上，并用倾角传感器实时测量电杆倾角值，并减去倾角传感器的初始值，得到电杆倾角的变化范围。若倾角变化在允许范围内，则表明电杆基础在P级(此处为12级)风载荷作用下是牢靠的，否则说明电杆在P级风载荷作用下可能会发生倒杆现象。

请参照图3，本实施例还提供一种带电线锥形电杆风载荷作用下基础抗倾覆试验装置，包括电杆1、钢丝绳2、第一滑轮3、第二滑轮4、力传感器5及动力加载装置6，所述钢丝绳2的一端与电杆1顶端固定连接，所述钢丝绳2的另一端依次绕过第一滑轮3与第二滑轮4后与所述动力加载装置6连接，所述第一滑轮3与电杆1顶端处于同一高度，所述力传感器5设置于所述钢丝绳2上用于实时检测钢 丝绳2的拉力，在加载时动力加载装置6通过正反转动，使钢丝绳2不断地拉紧和放松，从而在电杆1上施加一个不断变化的动态力。

请参照图4，所述动力加载装置6包括支架62，设置于支架62上的减速机63，设置于减速机63的输出轴上的用于缠绕钢丝绳的转盘64及设置于减速机63的输入轴上的伺服电机61；所述转盘64沿周向设置有凹槽，钢丝绳被压入凹槽内防止在加载过程中钢丝绳滑出。

如图5所示为等效力跟踪方法原理图，力传感器实时反馈钢丝绳上的实际拉力，并与计算得到的等效力进行比较后，运动控制器通过算法控制伺服电机的运转。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种带电线锥形电杆风载荷作用下基础抗倾覆试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：基于谐波合成法和达文谱计算特定风等级P的风速时程v(t)：

式中，S(ω₀＝0)＝0，ω_n＝nΔω，n＝0,1,…,N-1，Δω＝Nω_u，N为风速点的个数，ω_u为截断频率，为[0,2π]上均匀分布、相互独立的随机相位角，t表示时间，U₀为特定风等级的平均风速，达文谱S(ω_n)的表达式为：

$S\left({\mathrm{\ω}}_n\right)=\frac{4{\mathrm{kU}}_{10}^2{x}^2}{f{(1+x^2)}^{4/3}}$

式中，x＝1200f/U₁₀，U₁₀为10m高度处的平均风速，f为不超过ω_u的脉动风频率，k为地面粗糙度系数；

步骤S2：基于所述风速时程v(t)，计算风压时程w₀(t)：

$w_0\left(t\right)=\frac{v{\left(t\right)}^2}{1600}$

步骤S3：计算锥形电杆风载荷相对地面的等效弯矩时程，即提出顶部直径为d，锥度为α，杆高为H，电杆埋深为h的锥形电杆风载荷对地面的等效弯矩时程M₁(t)：

$M_1\left(t\right)={\mathrm{\β\μ}}_s{\mathrm{\μ}}_z{w}_0\left(t\right){\∫}_0^{H-h}x\[\mathrm{\α}(H-h)+d-\mathrm{\α}x\]dx$

求积分可得：

$M_1\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\β\μ}}_s{\mathrm{\μ}}_z{w}_0\left(t\right){(H-h)}^2\[(H-h)\mathrm{\α}+3d\]}{6}$

式中，β为与杆高有关的风振系数，μ_s为与电杆横截面形状有关的风荷载体型系数，μ_z为与风场环境有关的风压高度变化系数；

步骤S4：计算电线上所受风载荷相对于地面的等效弯矩时程M₂(t)：

M₂(t)＝nλμ_xDLw₀(t)(H-h)

式中：D为电线计算外径，L为电杆水平档距，n为电杆架设电线根数，λ为与风速有关的风压不均匀系数系数，μ_x为与电线外径大小有关的风荷载体型系数；

步骤S5：确定电杆确定加载点的等效力矩时程F(t)：

$F\left(t\right)=\frac{M_1\left(t\right)+M_2\left(t\right)}{\stackrel{\‾}{H}}$

其中，为电杆力加载点距离地面的高度值；

步骤S6：在电杆上安装倾角传感器，保证倾角传感器的测量方向与等效力的方向一致，并记录下倾角传感器的初始值；

步骤S7：电杆基础抗倾覆测试：在电杆加载点施加等效力矩时程，用倾角传感器实时测量电杆倾角值，并减去倾角传感器的初始值，得到电杆倾角的变化范围；当电杆倾角的变化在允许范围内，则表明电杆基础在P级风载荷作用下是牢靠的；当电杆倾角的变化大于最大允许值时，则说明电杆基础是不牢靠的，在P级风载荷作用下可能会发生倒杆现象。

2.一种带电线锥形电杆风载荷作用下基础抗倾覆试验装置，包括电杆、钢丝绳、第一滑轮、第二滑轮、力传感器及动力加载装置，其特征在于：所述钢丝绳的一端与电杆顶端固定连接，所述钢丝绳的另一端依次绕过第一滑轮与第二滑轮后与所述动力加载装置连接，所述第一滑轮与电杆顶端处于同一高度，所述力传感器设置于所述钢丝绳上用于实时检测钢丝绳的拉力。

3.根据权利要求2所述的带电线锥形电杆风载荷作用下基础抗倾覆试验装置，其特征在于：所述动力加载装置包括支架，设置于支架上的减速机，设置于减速机的输出轴上的用于缠绕钢丝绳的转盘及设置于减速机的输入轴上的伺服电机。

4.根据权利要求3所述的带电线锥形电杆风载荷作用下基础抗倾覆试验装置，其特征在于：所述转盘沿周向设置有凹槽。