一种自立式铁塔体内预应力拉索振动控制方法及装置与流程

本发明涉及高耸钢结构风振控制技术，具体涉及一种自立式铁塔体内预应力拉索振动控制方法及装置。

背景技术：

1、高耸钢结构广泛用于电力、通信等行业，各种型式的输电塔是目前我国电力能源输送的主要承力结构，对确保电力供应具有重要的作用。输电线路杆塔作为承载输电线路导地线及自身重量的主要结构，主要采用混凝土电杆、拉线塔和自立式角钢塔、钢管塔等结构型式。其中自立式角钢塔具有安装、运输方便等显著优势，在输电线路杆塔结构中的应用最为广泛。输电塔长期矗立在野外，运行环境恶劣，风荷载往往是这类高耸塔式结构的控制荷载。

2、由于输电塔结构型式和构造的独特性和复杂性，很难借鉴一般钢结构的加强方法，因此灾后输电塔特别是角钢塔的加强一直是工程中的难点，不少学者开展了相关的研究。针对输电杆塔的特点，国内如中国电力科学研究院、同济大学等单位的研究人员，借鉴建筑钢结构成熟的加强技术，提出了几种输电杆塔加强与改造的技术，主要有增大截面技术、增加辅构件技术、构件更换技术等。

3、采用增大截面技术，即在角钢塔原构件的侧面通过连接板及螺栓并联一根新的同规格角钢，形成一个新的组合截面构件，其截面形式主要有十字型、z字型、t字型和c字型等。国内有关单位虽然对采用该方法的不同截面形式加固构件的承载力进行了研究，但因受连接方式、安装方面的影响，加固后构件的破坏形态、受力性能、计算方法及其加固效果很难准确计算，且现场安装较为困难，严重影响了输电塔加固改造技术推广应用。

4、构件更换技术，顾名思义，构件更换技术是当铁塔某些构件受力不满足时可以现场更换为更高规格或更高强度的构件。一般情况下，角钢塔主材之间通过节点板连接，由螺栓锚固，类似于刚接，而斜材和辅助材是通过螺栓与其它构件单肢连接，类似于铰接。虽然角钢塔构件多为普通螺栓连接，容易拆卸和安装，但在具体工程中，更换既有铁塔结构上的构件时，在更换铁塔主材、斜材或辅助材期间，都会对铁塔结构受力及安全造成一定的风险，尤其是对加固效果显著的主材和斜材。此外，更换不同规格的构件难免会对现有结构的连接板或构造措施带来局部改变，也造成更换和应用困难。因此更换构件前需要对构件更换过程中结构的力学性能作全过程跟踪模拟，分析和评估恢复过程中结构的安全性，若存在危险性时须加设临时措施，保证恢复过程安全可靠。

5、从现有文献看，目前关于既有角钢输电塔的加固补强技术主要还是从构件或节点强度加固的方面进行的，存在以下两个方面的问题：一是输电塔的荷载类型多，输电塔除了要考虑风、重力等作用外，还要考虑导、地线断线、覆冰、检修等荷载作用，并且荷载的组合工况繁多。因此，采用结构局部和构件加强的方法只能提高结构局部承载能力和在某种荷载工况下的受力性能，而不能全面提高结构的刚度和承载能力，尤其是对强风、地震等动力荷载的适用性不强。二是构件更换、增加截面的方式实施困难。铁塔中的构件比较多，如主材正、侧面均有其他构件相连，因此，在原结构上增加新的构件比较困难，新构件与原构件连接的处理也不好实现。尤其是铁塔节点构造比较复杂，比如横担和塔身连接处和塔身变坡处等，所连构件很多，且空间方向各不相同，加强效果难以得到保证。

6、为解决上述问题，除了采用上述传统的增大截面的加固方法提高输电塔自身的抗风能力，还有一种方式就是采用振动控制技术，如采用阻尼耗能技术耗散风荷载输入的能量或者调谐质量阻尼器(tmd)控制输电塔的风振响应，这些方法大部分都停留在理论研究和试验研究，实际工程中由于成本、实施困难或者实施后对输电塔运行带来的影响导致很难推广应用。预应力拉索作为一种抗拉性能十分优异的构件，广泛用于大跨和高耸结构体系和钢结构加固等工程中发挥了重要作用。在输电线路工程中也有大量的拉索用于拉线杆塔和施工临时设施中，通过在结构体外布置若干拉线确保主结构在各类荷载作用下的倾覆稳定，而在自立式输电塔体内布置拉线进行加固和控制铁塔的风振响应技术和专利较少。

7、输电塔是一类对风非常敏感的高耸结构，风荷载往往是这类结构的控制荷载，在强风作用下输电塔倒塔和局部损伤主要是铁塔遭遇风速超过设计风速和脉动风振导致的动力效应，对输电塔进行补强加固和抑制其风振动力响应是提升输电塔抗风能力的主要技术手段。目前输电塔抗风加固技术和风振控制技术都有其技术局限性，传统的加固技术主要从通过增大杆件的截面从而提高构件的强度水平和抗侧移刚度，而现有的风振控制技术多在塔顶设置tmd阻尼器进行铁塔调谐减振。杆件截面增大加固技术往往是局部增大，现场施工难度大，容易出现局部强度较小、节点强度无法加固等问题；tmd调谐质量减振技术需要在塔顶增设一个较大的质量，一是会增加铁塔的负荷，二是现场检修、运行很不方便；此外，现有的加固和风振控制技术往往是相互独立的，加固技术从某种程度上可以提高输电塔的静载抗风能力，但并没有减振的效果，在脉动风动力荷载的累积作用下，局部加强的铁塔也存在风振倒塔损毁的可能性。而现有的tmd风振控制技术，通过在塔顶增设一个较大的调谐质量块，不仅在塔顶安装布置tmd非常困难，且给铁塔在静风作用下带来了负载效应。

技术实现思路

1、为了解决现有铁塔抗风和抗地震安全性较差的问题，本发明提供一种自立式铁塔体内预应力拉索振动控制方法及装置，本发明充分利用了输电塔架的结构特点，不会削弱原有铁塔结构的节点和杆件强度，既可以增加局部的节间刚度，也能增加铁塔整体的刚度，提高输电塔在风荷载作用下的抗侧移和抗扭转能力，另外将铁塔上、下的相对位移通过一组交叉拉索的变形带动安装在地面基础上的减振控制装置发生阻尼耗能作用，迅速衰减风和地震等动力荷载输入的能量，确保铁塔的抗风和抗地震安全。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案是：

3、第一方面，本发明提供一种自立式铁塔体内预应力拉索振动控制方法，在所述铁塔的塔身侧面和/或塔身内部对角线平面布置有交叉拉索；

4、所述交叉拉索的布置方式为：

5、将所述交叉拉索的始端连接在所述塔身的顶部，并将位于所述塔身处的所述交叉拉索采用若干个第一转向滑轮进行交叉过渡，以使所述交叉拉索在所述塔身侧面或塔身内部对角线平面形成若干交叉节间段，以及将连接在所述塔身的塔腿处的所述交叉拉索各自通过一个第二转向滑轮连接固定在减振控制装置上；

6、其中，所述交叉拉索包括两根拉索。

7、进一步地，当在所述铁塔的塔身侧面布置有所述交叉拉索时：

8、在所述塔身侧面相对的两塔身主材的高度方向均间隔安装有所述第一转向滑轮，在所述塔身侧面相对的两塔身主材的的塔腿处或基础处均安装有所述第二转向滑轮；

9、所述交叉拉索的其中一根拉索的始端连接在所述塔身侧面的一塔身主材的顶部，另一根拉索的始端连接在所述塔身侧面的另一塔身主材的顶部，然后所述交叉拉索的两根拉索从上到下依次交叉绕过所述第一转向滑轮，以在所述塔身侧面形成若干交叉节间段；所述交叉拉索的两根拉索从上到下依次交叉绕过所述第一转向滑轮后，再连接至所述第二转向滑轮，以使得所述交叉拉索的两根拉索角度被调整成与地面相对，所述交叉拉索的其中一拉索的末端和所述减振控制装置的一侧相连接，所述减振控制装置的另一侧与所述交叉拉索的另一拉索的末端相连接。

10、进一步地，所述铁塔的塔身四个侧面均布置有所述交叉拉索。

11、进一步地，当在所述铁塔的塔身侧面布置有交叉拉索时，交叉拉索交点处设置有平面索夹。

12、进一步地，当在所述铁塔的塔身内部对角线平面布置有所述交叉拉索时：

13、在所述塔身内部对角线平面的两塔身主材的高度方向均间隔安装有所述第一转向滑轮，在所述塔身内部对角线平面的两塔身主材的塔腿处或基础处均安装有所述第二转向滑轮；

14、所述交叉拉索的其中一根拉索的始端连接在所述塔身内部对角线平面的一塔身主材的顶部，另一根拉索的始端连接在所述塔身内部对角线平面的另一塔身主材的顶部，然后所述交叉拉索的两根拉索从上到下依次交叉绕过所述第一转向滑轮，以在所述塔身内部对角线平面形成若干交叉节间段；所述交叉拉索的两根拉索从上到下依次交叉绕过所述第一转向滑轮后，再连接至所述第二转向滑轮，以使得所述交叉拉索的两根拉索角度被调整成与地面相对，所述交叉拉索的其中一拉索的末端和所述减振控制装置的一侧相连接，所述减振控制装置的另一侧与所述交叉拉索的另一拉索的末端相连接。

15、进一步地，所述铁塔的塔身两对角线平面均布置有所述交叉拉索。

16、进一步地，当在所述铁塔的塔身两对角线平面均布置有所述交叉拉索时，若两组所述交叉拉索的四根拉索交叉到一点，则在交叉点处设置有空间索夹；若两组所述的交叉拉索的四根拉索没有交叉到一点，则在每组所述交叉拉索的交点位置布置平面索夹。

17、进一步地，所述交叉拉索的两根拉索的始端设置有拉索索端锚具，所述拉索索端锚具连接在所述塔身主材顶部的索端夹具上。

18、进一步地，所述索端夹具和所述第一转向滑轮与所述塔身主材的连接采用夹具进行。

19、进一步地，当所述交叉拉索的两根拉索在所述塔身主材的转向点有障碍时，在障碍点上下设置两个所述第一转向滑轮，以跳过所述塔身主材的障碍点。

20、进一步地，所述减振控制装置为粘滞阻尼器。

21、进一步地，当在所述铁塔的塔身四侧面和塔身两对角线平面均布置有所述交叉拉索时，在所述铁塔的四塔身主材的高度方向均间隔安装有塔身拉索转向机构，所述塔身拉索转向机构包括与所述塔身主材横截面相匹配的内夹板和外夹板，所述内夹板和外夹板对应地装配在所述塔身主材的内、外侧面并通过连接件连接固定；在所述外夹板的两个侧面上均设置有塔身侧面拉索滑轮固定板架，在所述塔身侧面拉索滑轮固定板架中安装有用于塔身侧面拉索布置的第一转向滑轮；在所述内夹板中设置有一塔身内部对角线平面拉索滑轮固定板架，在所述塔身内部对角线平面拉索滑轮固定板架中安装有用于塔身内部对角线平面拉索布置的第一转向滑轮。

22、第二方面，本发明提供一种自立式铁塔体内预应力拉索振动控制装置，包括：

23、第一转向滑轮，所述第一转向滑轮用于间隔安装在所述铁塔的塔身侧面相对的两塔身主材的高度方向；

24、第二转向滑轮，所述第二转向滑轮用于安装在所述铁塔的塔身侧面相对的两塔身主材的塔腿处或基础处；

25、交叉拉索，所述交叉拉索包括两根拉索，所述交叉拉索的其中一根拉索的始端连接在所述塔身侧面的一塔身主材的顶部，另一根拉索的始端连接在所述塔身侧面的另一塔身主材的顶部，然后所述交叉拉索的两根拉索从上到下依次交叉绕过所述第一转向滑轮，以在所述塔身侧面形成若干交叉节间段；所述交叉拉索的两根拉索从上到下依次交叉绕过所述第一转向滑轮后，再连接至所述第二转向滑轮，以使得所述交叉拉索的两根拉索角度被调整成与地面相对；

26、减振控制装置，所述减振控制装置的一侧与所述交叉拉索的其中一拉索的末端相连接，所述减振控制装置的另一侧与所述交叉拉索的另一拉索的末端相连接。

27、第三方面，本发明提供一种自立式铁塔体内预应力拉索振动控制装置，包括：

28、第一转向滑轮，所述第一转向滑轮用于间隔安装在所述铁塔的塔身内部对角线平面相对的两塔身主材的高度方向；

29、第二转向滑轮，所述第二转向滑轮用于安装在所述铁塔的塔身内部对角线平面相对的两塔身主材的塔腿处或基础处；

30、交叉拉索，所述交叉拉索包括两根拉索，所述交叉拉索的其中一根拉索的始端连接在所述塔身内部对角线平面的一塔身主材的顶部，另一根拉索的始端连接在所述塔身内部对角线平面的另一塔身主材的顶部，然后所述交叉拉索的两根拉索从上到下依次交叉绕过所述第一转向滑轮，以在所述塔身内部对角线平面形成若干交叉节间段；所述交叉拉索的两根拉索从上到下依次交叉绕过所述第一转向滑轮后，再连接至所述第二转向滑轮，以使得所述交叉拉索的两根拉索角度被调整成与地面相对；

31、减振控制装置，所述减振控制装置的一侧与所述交叉拉索的其中一拉索的末端相连接，所述减振控制装置的另一侧与所述交叉拉索的另一拉索的末端相连接。

32、本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

33、1、拉索通过转向滑轮将整根拉索从上到下成为一体，可以实现塔顶和各塔身节间段塔体变形的快速传递，发挥结构变形共同承担的作用，使得结构承担外荷载的协同性更强。

34、2、通过在节间段塔身主材节点处设置转向滑轮，使得拉索与塔身主材的角度更容易满足拉索的倾角要求，避免出现拉索倾角过大从而失效的现象。

35、3、交叉拉索组内的两根拉索通过布置在地面上的减振控制装置连成一体，塔顶或塔身各节点处的相对位移通过两根预应力拉索带动位于地面的减振控制装置，起到振动控制和阻尼耗能的作用，以确保铁塔的抗风和抗地震安全。