[发明专利]一种单管塔风压预警器的设计方法

权利要求书

1.一种单管塔风压预警器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基于挠曲线方程和单管塔模型，建立单管塔的形函数；基于单管塔的形函数，建立转角等效模型；基于P-DeIta效应，对单管塔塔顶进行受力分析，分别建立塔顶所承受的风力、应变力、重力公式；基于静力平衡定律，联立三个力学公式并进行求解；

S2、结合用户在终端设备预先设置的数据，终端设备上完成单管塔的风压阈值计算；基于安装在单管塔平台上的风压传感器，用于单管塔的风压数据采集；基于微控制处理器和无线通讯模块，将采样数据传输到终端设备；基于终端设备，将采样数据与风压阈值的对比计算，当采样数据超过风压阈值，终端设备发出报警行为。

2.根据权利要求1所述的单管塔风压预警器的设计方法，其特征在于，所述步骤S1的具体步骤如下：

S11、l为铁塔高度、V(x)为x处侧移、δ为铁塔的侧移值，利用挠曲线方程：

v＝C₁x³+C₂x²+C₃x+C₄

根据单管塔的边界条件建立形函数，其中，常数C₁、C₂、C₃、C₄需满足如下条件，当x＝0时：v＝0，v′＝0，v″≠0，v″′≠0；当x＝l时：v'≠0,v”＝0,v”'≠0

假设当x＝l时，v＝δ，由上式进一步求得:

由于单管塔受风荷载的最大侧移值不超过塔长的四十分之一，考虑塔顶最大侧移值的临界情况为：

由于侧移值δ较小，故其在挠函数上的转角也很小，于是将铁塔的倾斜角度和等效转角模型的倾斜角视为相等，即θ₁≈θ，得θ为1.4°；

S12、利用风荷载计算公式：

w＝β_zμ_sμ_zμ_rw₀

其中，w为铁塔在单位面积上所受风荷载，w₀为基本风压，μ_r为重现期调整系数，μ_z为Z高度处风压变化系数，μ_s为风荷载体形系数，β_z为Z高度处系数；

由于塔身重力在竖向的作用下，使得单管塔的水平位移进一步增大且引起结构内部各构件产生附加力，这种现象称之为P-DeIta效应，在考虑塔顶所受风荷载得情况时，将μ_z、β_z设置为塔l处的取值，将塔在不同高度的直径设为函数D_i(x)，则在塔顶的直径为D_l(x)，塔顶所受风力为：

F＝wD_l(x)V(x)

利用单管塔的应变能公式：

以及梁弯曲时弯矩和曲率公式

M(x)＝EIv”

由应变能公式和弯矩曲率公式推导塔的应变力公式为

其中，E为弹性模量,I_l为塔高l处的惯性矩；

用微分的思想，将塔身分成无数个小段，得出各段的线重量为：

dG_i(x)＝g_i(x)dx

其中，G_i(x)为第i段塔身的总重量，g_i(x)为i段塔身的线重量；

给出线重量的公式为：

g_i(x)＝πρgt_i(D_i(x)-t_i)

其中，ρ为塔身材料密度，g为重力加速度，t_i表示在塔身i处的厚度；

则塔的总重力为：

S13、塔顶在最大侧移值时受力达到平衡，且对塔顶进行受力分析，H·sinθ是应变力的水平分力，并与风力相抵消；H·cosθ是应变力的垂直分力，并与重力相抵消，联立方程组如下：

计算出在最大侧移值时的风力值，联立风荷载计算公式推出基本风压值w₀。

3.根据权利要求1或2所述的单管塔风压预警器的设计方法，其特征在于，所述步骤S2的具体步骤为：

S21、风压传感器安置于单管塔塔顶，用于获取实时的风压信号；微处理器模组、无线通信模块通过强磁安装于单管塔的内塔壁上，用于实现对风压信号的处理以及数据上报工作；云平台负责风压数据的接收和发送，且在终端设备上图形化展示，为铁塔运维人员提供风压数据状态和运维数据；

S22、控制风压传感器持续获取实时风压数据；实时风压数据发送到微处理器上，微处理器按照约定协议处理数据并将数据通过无线通信模块发送到云平台服务器上；云平台服务器接收数据后，在终端设备上显示实时的风压数据；用户预先在终端设备上设置单管塔高度，基于所述步骤S1的算法，确定此单管塔的风压阈值，终端设备上显示对应单管塔的风压阈值；当云平台服务器接收的数据不超过风压阈值时，整个判定装置正常工作；当云平台服务器接受的风压数据大于风压阈值时，终端设备上触发报警行为。