軟土地區高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數值模擬研究

胡清暉，陳彥宏

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

隨著大規模軟土地區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，相關領域提出構建優化的軟土地區高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數值模擬模型，結合對抗拔承載力數值模擬和量化分析結果，進行大規模軟土地區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定性和可靠性，研究大規模軟土地區高壓輸電線路桿塔承載力學參數分析和可靠性建模方法，此技術在大規模軟土地區高壓輸電線路的搭建和運維管理中都具有重要意義，相關的大規模軟土地區高壓輸電線路桿塔的承載力數值模擬方法的深入研究近年來也受到人們極大關注[1]。

當前，對軟土地區高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數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高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數值模擬方法[3]以及基于自復位控制的軟土地區高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數值模擬方法等[4]，以上傳統方法通常先構建軟土地區高壓輸電線路桿塔抗拔承載力力學分析模型，通過彈性力學參數分析方法，實現軟土地區高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數值模擬，但傳統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的荷載特點和軟土地區的特殊地質條件，開展了微型沉井基礎在上拔、下壓、水平、上拔與水平聯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值出現偏差，無法得以廣泛應用。

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

1 高壓輸電線路桿塔抗拔承載力參數分析和特征檢測

1.1 抗拔承載力參數分析

為實現軟土地區高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數值模擬，基于高壓輸電線路桿塔結構模型，構建軟土地區高壓輸電線路桿塔抗拔承載力參數解析模型，高壓輸電線路桿塔結構基建結構如圖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構基建結構

圖2 軟土支撐力方向示意圖

在側向荷載作用下，基于縮尺節點參數分析方法進行軟土地區高壓輸電線路桿塔抗拔承載力參數模擬，通過不同配置數量滯回尋優控制方法進行軟土地區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為軟土地區高壓輸電線路桿塔抗拔承載力原始參數值，B為側向荷載值，n為數值的特征點數量，i為土體參數自相關性的時序，構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。

假設穩定參數分布權重為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計算式（4）得出軟土地區高壓輸電線路桿塔抗拔的動能參數，用F表示[6]。

為構建軟土地區高壓輸電線路桿塔抗拔承載的數值力學重構模型，用fi代表所得每一采樣點所對應的抗拔承載動力參數并對其進行收集整理，數據集表示為

式中：fi表示參數隨機場離散數值；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據捕獲集合為

根據以上步驟完成抗拔承載力的參數分析。

1.2 高壓輸電線路桿塔抗拔承載力特征檢測

通過不同配置數量滯回尋優控制方法進行軟土地區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時刻軟土地區高壓輸電線路桿塔抗拔承載數據，通過線性插值方法進行軟土地區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；r為力學參數規劃值。

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

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值模擬結果，實現動態特征分析[11]。

2 高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數值模擬優化

2.1 參數融合

結合骨架曲線、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合分析的方法進行參數融合[12]。

通過土體參數自相關性和互相關性的相關分析，分析高壓輸電線路桿塔抗拔承載參數模擬值H。土體參數自相關系數為

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。

利用高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數值模擬的自適應狀態規劃方程對得到的相關系數尋優[13]，得到高壓輸電線路桿塔抗拔承載最優數據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化參數表示為

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據，得出w隨機樣本對應概率為

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

式中：x為占用概率；y為軟土地區高壓輸電線路桿塔抗拔承載力的動態參數數據量[16]。軟土地區高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數值模擬的標準化函數為

考慮極限狀態函數約束下，軟土地區高壓輸電線路桿塔抗拔承載的動態控制參數V為

綜上分析，模擬軟土地區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軟土地區高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數值模擬中的應用性能。試驗在國網山東省電力公司實驗室大廳完成?；A模型采用鋼制錨板基礎，由錨板、加筋肋板、鋼制立柱組成，其中：錨板材質為35#鋼，呈正方形，寬度D= 0.30 m，厚度t= 0.03 m；鋼制立柱材質為HRB400 螺紋鋼，截面為圓形，直徑d=0.04 m。所有模型基礎埋深一致，均為0.5 m，如圖3所示。

圖3 試驗用模型基礎

設定軟土地區高壓輸電線路桿塔抗拔承載力分布的修正系數為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。根據上述參數設定，得到軟土地區高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數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 所示的軟土地區高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數值模擬加載模型中，得到軟土地區高壓輸電線路桿塔的應力監測結果如圖5所示。

圖5 軟土地區高壓輸電線路桿塔的應力監測結果

由圖5 測試結果可知，利用本文模擬方法得到的材料應力與實際試驗應力數據基本一致，表明本文方法具有應用有效性。以圖5 的軟土地區高壓輸電線路桿塔的應力監測結果為基礎，得到軟土地區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對軟土地區高壓輸電線路桿塔的承載力數值模擬，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 軟土地區高壓輸電線路桿塔的抗拔承載分布

軟土地區高壓輸電線路桿塔抗拔承載模擬值與試驗值的對比結果如圖7所示。

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

圖7 軟土地區高壓輸電線路桿塔抗拔承載模擬值與試驗值

4 結束語

為量化分析桿塔抗拔承載力，本文提出基于荷載-應力屈服響應聯合特征分析的軟土地區高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數值模擬方法。構建軟土地區高壓輸電線路桿塔抗拔承載的數值力學重構模型，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高壓輸電線路桿塔抗拔承載力數值模擬的精度較高，擬合性能較好。