軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數(shù)值模擬研究

胡清暉，陳彥宏

（1.國網(wǎng)甘肅省電力公司蘭州供電公司，甘肅 蘭州 730070；2.國網(wǎng)甘肅省電力公司蘭州新區(qū)供電公司，甘肅 蘭州 730300）

隨著大規(guī)模軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔的使用，對輸電線路塔桿的抗拉和抗拔能力也提出了更高的要求。目前，相關(guān)領(lǐng)域提出構(gòu)建優(yōu)化的軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數(shù)值模擬模型，結(jié)合對抗拔承載力數(shù)值模擬和量化分析結(jié)果，進行大規(guī)模軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔的承載力學分析，以此提高輸電線路的穩(wěn)定性和可靠性，研究大規(guī)模軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔承載力學參數(shù)分析和可靠性建模方法，此技術(shù)在大規(guī)模軟土地區(qū)高壓輸電線路的搭建和運維管理中都具有重要意義，相關(guān)的大規(guī)模軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔的承載力數(shù)值模擬方法的深入研究近年來也受到人們極大關(guān)注[1]。

當前，對軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數(shù)值模擬方法主要有基于特征融合和屈服響應的承載力擬合方法[2]、基于屈服強度特征分析的軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數(shù)值模擬方法[3]以及基于自復位控制的軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數(shù)值模擬方法等[4]，以上傳統(tǒng)方法通常先構(gòu)建軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載力力學分析模型，通過彈性力學參數(shù)分析方法，實現(xiàn)軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數(shù)值模擬，但傳統(tǒng)方法存在適應度水平不高，模擬精度不高問題。文獻[5]針對架空輸電線路工程桿塔基礎(chǔ)的荷載特點和軟土地區(qū)的特殊地質(zhì)條件，開展了微型沉井基礎(chǔ)在上拔、下壓、水平、上拔與水平聯(lián)合荷載工況下的承載特性真型試驗研究。但是該方法無法獲取承載力殘余變形分布曲線，得到的抗拔承載力與實際數(shù)值出現(xiàn)偏差，無法得以廣泛應用。

為改善傳統(tǒng)方法應用過程存在的問題，本文提出基于荷載-應力屈服響應聯(lián)合特征分析的軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數(shù)值模擬方法。

1 高壓輸電線路桿塔抗拔承載力參數(shù)分析和特征檢測

1.1 抗拔承載力參數(shù)分析

為實現(xiàn)軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數(shù)值模擬，基于高壓輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)建軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載力參數(shù)解析模型，高壓輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)基建結(jié)構(gòu)如圖1 所示，軟土支撐力方向示意圖如圖2。

圖1 高壓輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)基建結(jié)構(gòu)

圖2 軟土支撐力方向示意圖

在側(cè)向荷載作用下，基于縮尺節(jié)點參數(shù)分析方法進行軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載力參數(shù)模擬，通過不同配置數(shù)量滯回尋優(yōu)控制方法進行軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載力學的滯回響應特征分析[5]。

設定A為軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載力原始參數(shù)值，B為側(cè)向荷載值，n為數(shù)值的特征點數(shù)量，i為土體參數(shù)自相關(guān)性的時序，構(gòu)建模糊方程得到高壓輸電線路桿塔抗拔承載力距離誤差：

通過式（1）得出的距離誤差，計算軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載速率之差：

式中：u為更新時刻。

假設穩(wěn)定參數(shù)分布權(quán)重為Wj，得到電線路桿塔抗拔承載力增量分布為

與式（3）所得增量代入動能參數(shù)計算式（4）得出軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔的動能參數(shù)，用F表示[6]。

為構(gòu)建軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載的數(shù)值力學重構(gòu)模型，用fi代表所得每一采樣點所對應的抗拔承載動力參數(shù)并對其進行收集整理，數(shù)據(jù)集表示為

式中：fi表示參數(shù)隨機場離散數(shù)值；q(i)為初步近似估計空間變異特征值；qj(i)為任意每個土體參數(shù)信息變化值，對所得fi采用中點法、局部平均法進行標定[7]得到輸電線路桿塔抗拔承載力的數(shù)據(jù)捕獲集合為

根據(jù)以上步驟完成抗拔承載力的參數(shù)分析。

1.2 高壓輸電線路桿塔抗拔承載力特征檢測

通過不同配置數(shù)量滯回尋優(yōu)控制方法進行軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載力的滯回響應特征分析[8-10]。

假設k為高壓輸電線路桿塔抗拔承載力的采樣時刻，fk為k時刻軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載數(shù)據(jù)，通過線性插值方法進行軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載力的擬合插值：

式中：K1

在獨立標準正態(tài)空間中，檢測高壓輸電線路桿塔抗拔承載力特征，以提高高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數(shù)值模擬的精度。高壓輸電線路桿塔抗拔承載力精度的觀測方程：

式中：a為高壓輸電線路桿塔抗拔承載力觀測值；bk為k時刻高壓輸電線路桿塔抗拔承載力分布的四元數(shù)；r為力學參數(shù)規(guī)劃值。

將觀測精度值輸入力學參數(shù)分析模型，得出高壓輸電線路桿塔抗拔承載力的數(shù)值模擬值：

通過I計算得出k時刻對高壓輸電線路桿塔抗拔承載力的數(shù)值模擬結(jié)果，實現(xiàn)動態(tài)特征分析[11]。

2 高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數(shù)值模擬優(yōu)化

2.1 參數(shù)融合

結(jié)合骨架曲線、電線路桿塔抗拔剛度退化曲線、承載力殘余變形分布曲線聯(lián)合分析的方法進行參數(shù)融合[12]。

通過土體參數(shù)自相關(guān)性和互相關(guān)性的相關(guān)分析，分析高壓輸電線路桿塔抗拔承載參數(shù)模擬值H。土體參數(shù)自相關(guān)系數(shù)為

式中：高壓輸電線路桿塔抗拔承載特性分布遞歸值為dk+1和hk+1或者mk+1和Ok+1；s為高壓輸電 線路桿塔抗拔承載力的觀測擾動指數(shù)。

利用高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數(shù)值模擬的自適應狀態(tài)規(guī)劃方程對得到的相關(guān)系數(shù)尋優(yōu)[13]，得到高壓輸電線路桿塔抗拔承載最優(yōu)數(shù)據(jù)t：

式中：q為參考坐標系下的高壓輸電線路桿塔抗拔承載力的狀態(tài)估計值；ν為約束二階非線性特征量。

2.2 高壓輸電線路桿塔抗拔承載力模擬控制

采用高壓輸電線路桿塔抗拔承載力參數(shù)融合的方法[14]，得到高壓輸電線路桿塔抗拔承載控制的角度優(yōu)化參數(shù)表示為

將q進行線性插值求得高壓輸電線路桿塔抗拔承載可靠度極限值Z為

通過分析高壓輸電線路桿塔抗拔承載可靠度極限值，可以構(gòu)建概率密度模型為

融合高壓輸電線路桿塔抗拔承載力概率模型的數(shù)據(jù)，得出w隨機樣本對應概率為

對概率模型進行荷載-應力屈服響應聯(lián)合特征分析[15]，得到優(yōu)化控制模型的表達形式：

式中：x為占用概率；y為軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載力的動態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)量[16]。軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數(shù)值模擬的標準化函數(shù)為

考慮極限狀態(tài)函數(shù)約束下，軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載的動態(tài)控制參數(shù)V為

綜上分析，模擬軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載力，提高輸電線路桿塔抗拔承載力模擬模型的正確性和適用性。

3 仿真測試分析

通過試驗仿真測試驗證本文方法在實現(xiàn)軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數(shù)值模擬中的應用性能。試驗在國網(wǎng)山東省電力公司實驗室大廳完成?；A(chǔ)模型采用鋼制錨板基礎(chǔ)，由錨板、加筋肋板、鋼制立柱組成，其中：錨板材質(zhì)為35#鋼，呈正方形，寬度D= 0.30 m，厚度t= 0.03 m；鋼制立柱材質(zhì)為HRB400 螺紋鋼，截面為圓形，直徑d=0.04 m。所有模型基礎(chǔ)埋深一致，均為0.5 m，如圖3所示。

圖3 試驗用模型基礎(chǔ)

設定軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載力分布的修正系數(shù)為1.36，輸電線路桿塔的抗壓強度取36.8 MPa，屈服強度為489.08 MPa，彈性模量為57.8 GPa，每次加載均為500 kN。根據(jù)上述參數(shù)設定，得到軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數(shù)值模擬的試驗加載模型如圖4所示。

圖4 試驗加載模型

在圖4 所示的軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數(shù)值模擬加載模型中，得到軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔的應力監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

圖5 軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔的應力監(jiān)測結(jié)果

由圖5 測試結(jié)果可知，利用本文模擬方法得到的材料應力與實際試驗應力數(shù)據(jù)基本一致，表明本文方法具有應用有效性。以圖5 的軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔的應力監(jiān)測結(jié)果為基礎(chǔ)，得到軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔的抗拔承載力荷載分布如圖6所示。

分析圖6 得知，本文方法能高精準度實現(xiàn)對軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔的承載力數(shù)值模擬，材料載荷分布情況與實際情況基本相符，滿足該方法的應用要求。

圖6 軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔的抗拔承載分布

軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載模擬值與試驗值的對比結(jié)果如圖7所示。

分析圖7 得知，本文方法進行軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔的抗拔承載數(shù)值模擬與試驗值的擬合關(guān)系較好，具有較高的數(shù)值擬合精度，應用性能良好。

圖7 軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載模擬值與試驗值

4 結(jié)束語

為量化分析桿塔抗拔承載力，本文提出基于荷載-應力屈服響應聯(lián)合特征分析的軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數(shù)值模擬方法。構(gòu)建軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載的數(shù)值力學重構(gòu)模型，采用中點法、局部平均法進行力學特征標定，進行軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載力的模擬，提高輸電線路桿塔抗拔承載力模擬模型的正確性和適用性。研究得知，本文方法進行軟土地區(qū)高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數(shù)值模擬的精度較高，擬合性能較好。