一种输电铁塔螺栓寿命评估方法

本发明属于输电线路螺栓松动检测领域，具体涉及一种输电铁塔螺栓寿命评估方法。

背景技术：

1、输电塔线体系承担着电能的传输、分配、调节等作用，其安全性和稳定性非常重要。输电铁塔作为输电塔线体系中的重要支撑结构，预测它的损坏情况对维护安全性具有重大意义。螺栓结构是输电铁塔的重要构造，以其易于安装，便于拆卸的优点目前被广泛应用于工业应用的各个领域，螺栓结构最主要的问题是螺栓在振动或者外力的作用下会产生松动，造成螺栓连接结构的轴向力下降，导致螺栓连接件失效。这对输电铁塔的工作系统的可靠性和安全性都有很大的影响。

2、螺栓作为输电铁塔中重要的连接结构之一，在风力作用下引起的结构振动中会发生松动，如未及时发现，则长期风力的影响会造成螺栓松动程度加剧，进一步导致螺栓完全松脱，在随后的强风及地震等自然灾害中会致使铁塔螺栓松动结构处的杆件发生破坏甚至掉落，进而使铁塔倒塌。据统计，在发生输电铁塔倒落事故的现场经常可以看到脱落的螺栓螺母，倒塔事故分析报告也表明了螺栓连接失效是倒塔事故的主要原因。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种输电铁塔螺栓寿命评估方法，包括以下步骤：

2、s1.构建输电塔有限元模型，计算其在风载荷作用下的动力学分析结果，根据动力学分析结果确定输电铁塔的最薄弱部位；

3、s2.构建步骤s1确定的最薄弱部位的精细化有限元模型，通过循环载荷作用实验获得载荷-位移曲线，根据载荷-位移曲线分析螺栓松动的四个阶段；

4、s3.采用步骤s1确定的最薄弱部位的螺栓试件连接两块钢板后安装到疲劳试验机上，进行螺栓松动实验并与步骤s2分析的螺栓松动的四个阶段进行映证；

5、s4.统计整理螺栓松动实验的数据，得到螺栓试件剩余预紧力与振幅循环次数的关系，输出d-n曲线作为判定螺栓是否松动的标准；

6、s5.采用雨流计数法统计螺栓松动实验中螺栓试件在单位时间内受到的不同幅值载荷的次数；

7、s6.结合s5雨流计数法的统计结果应用miner线性疲劳累计损伤理论，输出输电铁塔螺栓试件处于实际风载情况下的寿命评估结果。

8、进一步的，步骤s1所采用的风载荷为：

9、s11.获取输电铁塔所在目标区域的自然风环境数据，结合国家标准设计目标区域的基准风速；

10、s12.根据基准风速建立脉动风功率谱，利用matlab和脉动风功率谱对目标区域进行风场的仿真模拟，得到风载荷。

11、进一步的，最薄弱部位的精细化有限元模型包括4个相同的螺栓、1个上连接板、1个左侧的中连接板、1个右侧的中连接板和1个下连接板；左侧的中连接板的右半部分与上连接板左部、下连接板左部贴合构成第一区域；右侧的中连接板的左半部分与上连接板右部、下连接板右部贴合构成第二区域；在第一区域和第二区域分别设有两个贯穿的螺纹孔，从左向右依次称为第一螺纹孔、第二螺纹孔、第三螺纹孔和第四螺纹孔；每个螺纹孔安装一个螺栓。

12、进一步的，螺栓包括螺栓公称和螺栓头部，螺栓公称直径和高度分别为20mm和65mm，螺栓头部的直径和高度分别为30mm和12.71mm；上连接板的长、宽、高分别为235mm、115mm、10mm；中连接板的长、宽、高分别为200mm、140mm、12mm；下连接板的长、宽、高分别为235mm、125mm、10mm。

13、进一步的，在横向距离上，第一螺纹孔、第二螺纹孔、第三螺纹孔和第四螺纹孔与上连接板左边缘的距离分别为32.5mm、82.5mm、152.5mm、202.5mm；在纵向距离上，第一螺纹孔、第二螺纹孔、第三螺纹孔和第四螺纹孔与上连接板上边缘的距离分别为40mm、75mm、40mm、75mm。

14、进一步的，步骤s2构建最薄弱部位的精细化有限元模型进行循环载荷作用实验包括：

15、s21.根据最薄弱部位的精细化有限元模型建立空间直角坐标系；

16、s22.对左侧的中连接板的左半部分在x、y、z三个方向进行自由度约束，使其固定住；

17、s23.对下连接板的上表面在z方向进行自由度约束，使其在只能z方向上移动；

18、s24.将右侧的中连接板的左半部分固定，对右侧的中连接板的右半部分上表面施加低周位移载荷，低周位移载荷逐渐增大，记录实验过程中，连接板右端部节点上的载荷、位移等实验结果。

19、本发明的有益效果：

20、本发明提出一种风载作用下对于螺栓寿命进行评估的方法。通过有限元仿真实验确定了风载作用下，输电铁塔的薄弱部位；再通过有限元仿真实验与螺栓松动实验，确定了螺栓松动的四个阶段；并根据实验数据整理出螺栓剩余预紧力与循环次数关系曲线(d-n曲线)，作为判断螺栓松动的标准；最后根据d-n曲线以及miner理论对风载作用下输电铁塔的螺栓松动寿命进行预估。本发明可以根据建立对应铁塔的有限元模型，结合实际的风场数据，可以对处于风载作用下的输电铁塔螺栓进行有效的寿命评估，有利于输电铁塔的运维，防止因为螺栓松动而导致的倒塔事故。

技术特征：

1.一种输电铁塔螺栓寿命评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种输电铁塔螺栓寿命评估方法，其特征在于，步骤s1所采用的风载荷为：

3.根据权利要求1所述的一种输电铁塔螺栓寿命评估方法，其特征在于，最薄弱部位的精细化有限元模型包括4个相同的螺栓、1个上连接板、1个左侧的中连接板、1个右侧的中连接板和1个下连接板；左侧的中连接板的右半部分与上连接板左部、下连接板左部贴合构成第一区域；右侧的中连接板的左半部分与上连接板右部、下连接板右部贴合构成第二区域；在第一区域和第二区域分别设有两个贯穿的螺纹孔，从左向右依次称为第一螺纹孔、第二螺纹孔、第三螺纹孔和第四螺纹孔；每个螺纹孔安装一个螺栓。

4.根据权利要求3所述的一种输电铁塔螺栓寿命评估方法，其特征在于，螺栓包括螺栓公称和螺栓头部，螺栓公称直径和高度分别为20mm和65mm，螺栓头部的直径和高度分别为30mm和12.71mm；上连接板的长、宽、高分别为235mm、115mm、10mm；中连接板的长、宽、高分别为200mm、140mm、12mm；下连接板的长、宽、高分别为235mm、125mm、10mm。

5.根据权利要求3所述的一种输电铁塔螺栓寿命评估方法，其特征在于，在横向距离上，第一螺纹孔、第二螺纹孔、第三螺纹孔和第四螺纹孔与上连接板左边缘的距离分别为32.5mm、82.5mm、152.5mm、202.5mm；在纵向距离上，第一螺纹孔、第二螺纹孔、第三螺纹孔和第四螺纹孔与上连接板上边缘的距离分别为40mm、75mm、40mm、75mm。

6.根据权利要求3所述的一种输电铁塔螺栓寿命评估方法，其特征在于，在横向距离上，第一螺纹孔和第二螺纹孔与左侧的中连接板右边缘的距离分别是30mm和80mm；在纵向距离上，第一螺纹孔和第二螺纹孔与左侧的中连接板上边缘的距离分别是43mm和78mm。

7.根据权利要求3所述的一种输电铁塔螺栓寿命评估方法，其特征在于，在横向距离上，第三螺纹孔和第四螺纹孔与右侧的中连接板左边缘的距离分别是30mm和80mm；在纵向距离上，第三螺纹孔和第四螺纹孔与右侧的中连接板上边缘的距离分别是43mm和78mm。

8.根据权利要求3所述的一种输电铁塔螺栓寿命评估方法，其特征在于，步骤s2构建最薄弱部位的精细化有限元模型进行循环载荷作用实验包括：

技术总结
本发明属于输电线路螺栓松动检测领域，具体涉及一种输电铁塔螺栓寿命评估方法；包括构建输电塔有限元模型并对其在风载荷作用下的动力学结果进行分析，确定输电铁塔的最薄弱部位；构建最薄弱部位的精细化有限元模型，通过循环载荷作用实验获得载荷‑位移曲线；采用最薄弱部位的螺栓试件连接两块钢板后安装到疲劳试验机上，进行螺栓松动实验；统计整理螺栓松动实验的数据，得到螺栓试件剩余预紧力与振幅循环次数的关系，输出D‑N曲线；采用雨流计数法统计螺栓松动实验中螺栓试件在单位时间内受到的不同幅值载荷的次数；结合雨流计数法的统计结果应用Miner线性疲劳累计损伤理论，输出输电铁塔螺栓试件处于实际风载情况下的寿命评估结果。

技术研发人员：赵洋,符鹏,伍川,陈翔,禄盛,邓聪颖
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13