辛振科 ，魏歡歡

（1.甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000；2.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048；3.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712100.）

0 引言

輸電鐵塔作為一種重要的電力工程鋼結(jié)構(gòu)，目前普遍存在服役周期長(zhǎng)、塔架腐蝕、螺栓松動(dòng)等現(xiàn)象，并且設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，塔材大多采用Q235或Q345鋼材。雨雪冰凍、臺(tái)風(fēng)、地震等自然災(zāi)害，可能導(dǎo)致既有工程結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塔事故，造成經(jīng)濟(jì)損失。

若將老舊危輸電鐵塔推倒重建，會(huì)造成較大的浪費(fèi)，同時(shí)還有造成電力供應(yīng)中斷的風(fēng)險(xiǎn)，且新建鐵塔工程成本較高，故將該類(lèi)輸電鐵塔加固后繼續(xù)使用是一個(gè)合理選擇。因此，相關(guān)學(xué)者對(duì)輸電鐵塔加固進(jìn)行了較為深入的研究。文獻(xiàn)[1]到文獻(xiàn)[3]對(duì)輸電鐵塔雙角鋼加固構(gòu)件的受壓性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，因受試驗(yàn)條件、試驗(yàn)時(shí)間等各方面的限制不易全方位展開(kāi)研究。文獻(xiàn)[4]到文獻(xiàn)[7]對(duì)加固構(gòu)件的加固效果進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]采用建立數(shù)學(xué)模型的方法來(lái)計(jì)算預(yù)測(cè)組合截面壓彎構(gòu)件的極限承載力，但數(shù)值仿真結(jié)果存在較大的人為影響，且數(shù)學(xué)模型存在精度較低、參數(shù)不易確定和適用范圍有限等缺陷。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在預(yù)測(cè)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，文獻(xiàn)[10]采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)風(fēng)電功率進(jìn)行了預(yù)測(cè)，文獻(xiàn)[11]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)受損鋼結(jié)構(gòu)變電構(gòu)架承載能力進(jìn)行了預(yù)測(cè)，然而采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)輸電鐵塔加固構(gòu)件的極限承載力進(jìn)行預(yù)測(cè)研究較少。

本文選取文獻(xiàn)[12]的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了8-5-1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)輸電鐵塔加固構(gòu)件極限承載力的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；采用建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并將預(yù)測(cè)結(jié)果與文獻(xiàn)[13]進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性。

1 加固方案及樣本數(shù)據(jù)

文獻(xiàn)[12]是在試驗(yàn)驗(yàn)證的前提下建立了有限元模型，數(shù)據(jù)具有較高的真實(shí)性，其加固構(gòu)件的剖面如圖1所示，單肢連接加固構(gòu)件如圖2所示。

圖1 加固構(gòu)件剖面

圖2 單肢連接加固構(gòu)件

針對(duì)單肢連接加固構(gòu)件，本文主要研究了長(zhǎng)細(xì)比、寬厚比、緊固件間距（或緊固件數(shù)量）、螺栓預(yù)緊力、夾具厚度、材料強(qiáng)度和加固角鋼肢厚等參數(shù)變量對(duì)加固效果的影響，并且根據(jù)兩端固接的邊界條件，在AN?SYS軟件中設(shè)定了下端板節(jié)點(diǎn)約束x、y、z 3個(gè)方向自由度，上端板節(jié)點(diǎn)約束x、y向自由度、釋放z向自由度，并在上端面施加節(jié)點(diǎn)均布荷載。單肢連接的原單角鋼為偏心受壓構(gòu)件，加固后的組合截面為壓彎構(gòu)件。

待預(yù)測(cè)構(gòu)件的參數(shù)信息匯總?cè)绫?所示。表中給出了影響構(gòu)件極限承載力的長(zhǎng)細(xì)比、原材截面等9個(gè)參數(shù)變量。構(gòu)件編號(hào)中L6308表示采用的原材角鋼型號(hào)為∟63×8，E200表示構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比為200。

表1 待預(yù)測(cè)構(gòu)件參數(shù)信息匯總

2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)

利用文獻(xiàn)[12]中220組單肢連接的雙角鋼箱形組合截面壓彎構(gòu)件的有限元仿真數(shù)據(jù)作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本數(shù)據(jù)，隨機(jī)抽取22組作為測(cè)試樣本，剩余的198組作為訓(xùn)練樣本。模型采用3層前向BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以原角鋼長(zhǎng)細(xì)比、原角鋼慣性矩、加固角鋼慣性矩、夾具數(shù)量、原角鋼強(qiáng)度、夾具厚度、螺栓預(yù)緊力和偏心距等8個(gè)參數(shù)變量為輸入層，以加固構(gòu)件極限承載力為輸出層，隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)M按式（1）計(jì)算。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

式中：n為輸入層神經(jīng)元數(shù)；m為輸出層神經(jīng)元數(shù)；a0為待定常數(shù)。

由式（1）可計(jì)算出隱含層神經(jīng)元數(shù)的范圍為[5，14]。將隱含層神經(jīng)元逐次遞增并多次試算，結(jié)果表明，當(dāng)隱含層神經(jīng)元數(shù)為5時(shí)，預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值之間的最大相對(duì)誤差最小，因此隱含層神經(jīng)元數(shù)取5。

用相關(guān)系數(shù)r表征輸電鐵塔加固構(gòu)件極限承載力的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)結(jié)果與文獻(xiàn)[12]數(shù)據(jù)之間的相關(guān)程度，其表達(dá)式為：

式中：Qi和Qj為試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值為試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的平均值。

3 DL/T 5154—2012預(yù)測(cè)

在DL/T 5154—2012《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》中，壓彎構(gòu)件的穩(wěn)定承載力計(jì)算公式為：

式中：N為軸壓力；e為形心到虛軸y的距離；W為截面抵抗矩；NEX為構(gòu)件受彎時(shí)的抗彎剛度，計(jì)算方法如式（4）所示；E為彈性模量；λ為構(gòu)件繞支座轉(zhuǎn)動(dòng)軸的長(zhǎng)細(xì)比；A為構(gòu)件毛截面面積；f為鋼材屈服強(qiáng)度；φ為構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，由規(guī)范DL/T 5154—2012附錄C確定；mN為壓桿穩(wěn)定強(qiáng)度折減系數(shù)，由角翼緣板自由外伸寬度b與厚度t之比計(jì)算確定。

表2對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)極限承載力預(yù)測(cè)值與規(guī)范DL/T 5154—2012進(jìn)行了對(duì)比，表3為兩種預(yù)測(cè)方法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，其中PC為預(yù)測(cè)值，PF為文獻(xiàn)[12]實(shí)測(cè)值。圖4對(duì)兩種預(yù)測(cè)模型的可靠性進(jìn)行了檢驗(yàn)，對(duì)預(yù)測(cè)值和文獻(xiàn)[12]實(shí)測(cè)值進(jìn)行了一次多項(xiàng)式擬合，并與直線y=x進(jìn)行了對(duì)比，可以看出BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)結(jié)果可靠性明顯高于規(guī)范DL/T 5154—2012。

表2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)極限承載力預(yù)測(cè)值與DL/T 5154—2012預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖4 預(yù)測(cè)模型可靠性檢驗(yàn)

表3 兩種計(jì)算方法承載力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

針對(duì)鐵塔加固的現(xiàn)實(shí)需求及規(guī)范DL/T 5154—2012預(yù)測(cè)加固構(gòu)件承載力偏低的問(wèn)題，本文采用文獻(xiàn)[12]的研究數(shù)據(jù)，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)雙角鋼組合截面加固構(gòu)件的極限承載力進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并與規(guī)范DL/T 5154—2012的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，主要得出以下結(jié)論：

1）BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以精確預(yù)測(cè)輸電鐵塔加固構(gòu)件的極限承載力，可作為相關(guān)工程設(shè)計(jì)、試驗(yàn)研究和數(shù)值分析的輔助手段。

2）未來(lái)可考慮建立大型BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)輸入構(gòu)件的參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)構(gòu)件的力學(xué)性能，從而避免繁瑣復(fù)雜的人工計(jì)算，提高生產(chǎn)效率。