CN108228992A - 避雷针法兰设计方法及终端设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及避雷针技术领域，提供了避雷针法兰设计方法及终端设备。该方法包括：获取倒塌避雷针的相关信息以分析避雷针倒塌的原因，根据倒塌避雷针的相关信息，运用AR自回归技术，基于Davenport谱模拟脉动风荷载，同时考虑水平及竖向相关性，得到各种结构类型避雷针的风荷载时程样本，再根据各种结构类型避雷针的风荷载时程样本，分析避雷针法兰的受力性能，并根据分析结果对避雷针法兰进行优化。上述避雷针法兰设计方法及终端设备，能够对避雷针法兰进行优化分析，提升避雷针的抗风性能，保证避雷针的安全运行。

Description

避雷针法兰设计方法及终端设备

技术领域

本发明属于避雷针技术领域，尤其涉及避雷针法兰设计方法及终端设备。

背景技术

避雷针属于高耸结构，自振周期大，在风荷载的作用下动力响应相当显著，绝大多数情况下仅受风荷载作用，因此，避雷针受风荷载的影响极大。

变电站内的避雷针大都采用单钢管结构，为节约占地，绝大部分都架立在各电压等级构架柱上，特别是配电装置由AIS到HGIS再到GIS的过程中，避雷针的高度根据电气防雷计算要求，变得越来越高。以220kV变电站(采用GIS配电装置)中220kV出线构架为例，构架高度由以前的15m优化至当前典设的14m，避雷针高度则从35m升高至46m，甚至50m，A字柱上单钢管避雷针长达32m，甚至36m，绝大多数情况下还兼挂地线，而此时的避雷针仍按常规进行设计，与下部较细的A字柱相比，存在着明显的“头重脚轻”的现象。

考虑到当前发生的避雷针坠落事故亦多为架立在构架A字柱上的避雷针，构架上部单钢管避雷针是否受到下部A字柱的影响，是否受到导线、地线的影响，在风荷载作用下，避雷针在风荷载作用下的动力效应是否有被进一步的放大，值得进一步深入研究。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了避雷针法兰设计方法及终端设备，以解决现有技术中避雷针法兰的结构未根据环境因素进行设计的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种避雷法兰针设计方法，包括：

获取倒塌避雷针的相关信息，分析避雷针倒塌的原因；所述相关信息包括避雷针的设计信息、材料信息、加工信息和安装信息；

根据倒塌避雷针的相关信息，运用AR自回归技术，基于Davenport谱模拟脉动风荷载，同时考虑水平及竖向相关性，得到各种结构类型避雷针的风荷载时程样本；

根据各种结构类型避雷针的风荷载时程样本，分析避雷针法兰的受力性能，并根据分析结果对避雷针法兰进行优化。

可选的，避雷针的结构类型包括：

架立在构架A字柱上的单钢管避雷针、独立的落地单钢管变截面避雷针、独立的落地等边三角形钢管与角钢格构式结合式的避雷针。

可选的，所述根据各种结构类型避雷针的风荷载时程样本，分析避雷针法兰的受力性能，包括：

对避雷针法兰进行ANSYS有限元实体建模，分析A字柱顶与上部单钢管避雷针连接法兰在脉动风荷载作用下，避雷针连接法兰的应力及变形。

可选的，所述分析A字柱顶与上部单钢管避雷针连接法兰在脉动风荷载作用下，避雷针连接法兰的应力及变形，包括：

分析A字柱顶与上部单钢管避雷针连接法兰在脉动风荷载作用下，避雷针连接法兰的法兰螺栓、法兰板和加劲板的应力及变形。

可选的，所述分析A字柱顶与上部单钢管避雷针连接法兰在脉动风荷载作用下，避雷针连接法兰的应力及变形，还包括：

分析A字柱顶与上部单钢管避雷针连接法兰在脉动风荷载作用下，除所述法兰螺栓、法兰板和加劲板之外的避雷针连接法兰的其他组件的应力及变形。

可选的，所述避雷针法兰为刚性法兰，刚性法兰的轴心受拉作用时：

式中：为受力最大的一个螺栓的拉力，N为法兰所受的拉力，n为法兰盘上螺栓数目，为螺栓承载力设计值；

刚性法兰受拉或压或弯共同作用时：

式中：M为法兰所受的弯矩；N为法兰所受的轴心作用力；Y_i为螺栓中心到旋转轴的距离；当M/|N|≥0.8r₂时，取管外径一半的0.8倍为旋转轴；当M/|N|<0.8r₂时，取管中心为旋转轴；Y为受力最大螺栓中心到旋转轴的距离；r₂为钢管外壁半径。

可选的，法兰盘厚度的设计过程为：

板上均布荷载其中L_y＝min(1.8L_y1,2.2L_y2)；

板中最大弯矩

法兰盘厚度

式中：β为弯矩系数，t为法兰盘厚度，f为材料强度设计值。

可选的，加劲板采用对接焊缝时，加劲板厚度为：

1)竖向对接焊缝时：

2)水平对接焊缝时：

加劲板采用角焊缝时，加劲板厚度为：

式中：P为一个螺栓区格的加劲板对应承受的压力，α为加劲板承担反力的比值，σ_f为垂直于焊缝长度方向的拉应力，τ_f为垂直于焊缝长度方向的剪应力，B为加劲板宽度，t为加劲板厚度，e为P偏心距，h为加劲板高度，S₁为加劲板下端切角高度，S₂为加劲板下端横向切角尺寸，为对接焊缝抗剪、抗拉强度设计值，f为钢材强度设计值，f_v为钢材抗剪强度设计值。

本发明实施例的第二方面提供了一种避雷针法兰设计终端设备，包括存储器、处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如下步骤：

获取倒塌避雷针的相关信息，分析避雷针倒塌的原因；所述相关信息包括避雷针的设计信息、材料信息、加工信息和安装信息；

根据倒塌避雷针的相关信息，运用AR自回归技术，基于Davenport谱模拟脉动风荷载，同时考虑水平及竖向相关性，得到各种结构类型避雷针的风荷载时程样本；

根据各种结构类型避雷针的风荷载时程样本，分析避雷针法兰的受力性能，并根据分析结果对避雷针法兰进行优化。

本发明实施例的第三方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种避雷针法兰设计方法的步骤。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本发明实施例，获取倒塌避雷针的相关信息以分析避雷针倒塌的原因，根据倒塌避雷针的相关信息，运用AR自回归技术，基于Davenport谱模拟脉动风荷载，同时考虑水平及竖向相关性，得到各种结构类型避雷针的风荷载时程样本，再根据各种结构类型避雷针的风荷载时程样本，分析避雷针法兰的受力性能，并根据分析结果对避雷针法兰进行优化，从而能够对避雷针法兰进行优化，提升避雷针的抗风性能，保证避雷针的安全运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的避雷针法兰设计方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的螺栓受力示意图一；

图3是本发明实施例提供的螺栓受力示意图二；

图4是本发明实施例提供的法兰盘受力示意图；

图5是本发明实施例提供的加劲板厚度计算示意图；

图6是本发明实施例提供的法兰模型中接触单元示意图；

图7是本发明实施例提供的法兰所受轴力FZ和弯矩MX、MY的时程曲线；

图8是本发明实施例提供的螺栓应力最大点的应力时程曲线；

图9是本发明实施例提供的螺栓逐个失效后的最大螺栓轴力曲线图；

图10是本发明实施例提供的螺栓逐个失效后的最大法兰盘Z向变形曲线图；

图11是本发明实施例提供的避雷针法兰设计程序的运行环境示意图；

图12是本发明实施例提供的避雷针法兰设计程序的程序模块图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

实施例一

图1示出了本发明实施例一提供的避雷针法兰设计方法的实现流程，详述如下：

步骤S101，获取倒塌避雷针的相关信息，分析避雷针倒塌的原因；所述相关信息包括避雷针的设计信息、材料信息、加工信息和安装信息。

其中，避雷针的结构类型包括：架立在构架A字柱上的单钢管避雷针、独立的落地单钢管变截面避雷针、独立的落地等边三角形钢管与角钢格构式结合式的避雷针。

避雷针的设计信息、材料信息、加工信息和安装信息都有可能导致避雷针的倒塌，根据获取到的倒塌避雷针的相关信息，进一步分析避雷针倒塌的确切原因。

步骤S102，根据倒塌避雷针的相关信息，运用AR自回归技术，基于Davenport谱模拟脉动风荷载，同时考虑水平及竖向相关性，得到各种结构类型避雷针的风荷载时程样本。

步骤S103，根据各种结构类型避雷针的风荷载时程样本，分析避雷针法兰的受力性能，并根据分析结果对避雷针法兰进行优化。

可选的，所述根据各种结构类型避雷针的风荷载时程样本，分析避雷针法兰的受力性能，包括：

对避雷针法兰进行ANSYS有限元实体建模，分析A字柱顶与上部单钢管避雷针连接法兰在脉动风荷载作用下，避雷针连接法兰的应力及变形。

具体的，所述分析A字柱顶与上部单钢管避雷针连接法兰在脉动风荷载作用下，避雷针连接法兰的应力及变形，包括：

分析A字柱顶与上部单钢管避雷针连接法兰在脉动风荷载作用下，避雷针连接法兰的法兰螺栓、法兰板和加劲板的应力及变形。

另外，所述分析A字柱顶与上部单钢管避雷针连接法兰在脉动风荷载作用下，避雷针连接法兰的应力及变形，还包括：

分析A字柱顶与上部单钢管避雷针连接法兰在脉动风荷载作用下，除法兰螺栓、法兰板和加劲板之外的避雷针连接法兰的其他组件的应力及变形。

为保证避雷针的刚度，其法兰一般采用刚性法兰。刚性法兰可按以下理论进行设计。

刚性法兰的轴心受拉作用时：

式中：为受力最大的一个螺栓的拉力，单位为牛顿；N为法兰所受的拉力，单位为牛顿；n为法兰盘上螺栓数目；为螺栓承载力设计值。

刚性法兰受拉或压或弯共同作用时：

式中：M为法兰所受的弯矩，单位为N·mm；N为法兰所受的轴心作用力，单位为牛顿；Y_i为螺栓中心到旋转轴的距离，单位为毫米；当M/|N|≥0.8r₂时，Y_i取管外径一半的0.8倍为旋转轴，参见图2；当M/|N|<0.8r₂时，Y_i取管中心为旋转轴，参见图3；Y为受力最大螺栓中心到旋转轴的距离，单位为毫米；r₂为钢管外壁半径，单位为毫米。

对于法兰盘厚度，法兰盘设计由拉力工况控制，受力简图可按照三边支撑板确定，边界条件为三边固支、一边自由，如图4所示。

板上均布荷载其中L_y＝min(1.8L_y1,2.2L_y2)；

板中最大弯矩M_max＝β·q·L_x ²；

法兰盘厚度

式中：β为弯矩系数，根据L_y/L_x查自《建筑结构静力计算手册》；t为法兰盘厚度，单位为毫米；f为材料强度设计值，单位为MPa。

参见图5，对于加劲板厚度，加劲板采用对接焊缝时，加劲板厚度为：

1)竖向对接焊缝时：

2)水平对接焊缝时：

加劲板采用角焊缝时，加劲板厚度为：

式中：P为一个螺栓区格的加劲板对应承受的压力，α为加劲板承担反力的比值；σ_f为垂直于焊缝长度方向的拉应力，单位为MPa；τ_f为垂直于焊缝长度方向的剪应力，单位为MPa；B为加劲板宽度，单位为毫米；t为加劲板厚度，单位为毫米；e为P偏心距，单位为毫米；h为加劲板高度，单位为毫米；S₁为加劲板下端切角高度，单位为毫米；S₂为加劲板下端横向切角尺寸，单位为毫米；为对接焊缝抗剪、抗拉强度设计值，单位为MPa；f为钢材强度设计值，单位为MPa；f_v为钢材抗剪强度设计值，单位为MPa。

为了研究法兰在脉动风荷载下的受力性能，采用ANSYS进行有限元计算。首先应确定适用的有限元模型。

模型的材料均为钢材，根据弹塑性理论，其材料性能模型均采用双线性等向强化模型BISO。钢材的弹性模量E＝2.06×10⁵MPa，泊松比μ＝0.3，屈服强度根据钢材的牌号而定。

从以往的相关研究来看，对于钢管、法兰盘及加劲板板件，可选用的单元类型有实体单元和壳单元；对于螺栓而言，常见的有实体单元、杆单元。其中，在网格划分合理的前提下，采用实体单元模拟法兰的各部件最为精确。因此，该有限元模型均采用实体单元SOLID185对法兰各部件进行建模。应当注意，为了防止出现“剪切自锁”或系统矩阵病态影响计算精度，在划分网格的过程中实体单元三个方向的尺寸应尽量接近。

法兰模型中存在三种接触类型：法兰盘之间的接触A、螺帽与法兰盘间的接触B、螺杆与螺孔间的接触C。参见图6，这三种接触都属于面-面接触，对应实体单元SOLID185，接触对的目标单元和接触单元分别采用TARGE170和CONTA173。

在指定目标面与接触面时，遵循“凸密柔高小为接触面”原则，材质较弱的为接触面，材质较强的为目标面。由于螺栓的刚度较法兰盘大，并且材质更强，选取法兰盘为接触面，螺栓为目标面，实际表现为螺栓可以侵入法兰盘，而法兰盘只能适应侵入而变形。

通过预紧单元PRETS179来施加螺栓的预紧力，施加过程如下：1)通过PSMESH命令在螺杆中心截面上建立预紧单元；2)通过SLOAD命令施加指定的预紧荷载。在仅受预紧力作用下，根据模拟结果可知螺栓中心截面施加了预紧力，而螺帽与法兰盘接触面存在相反方向的接触力。

由于法兰同时受到轴力和弯矩作用，建模时建立整个法兰的模型。

法兰底部与A字柱顶相连，其刚度极大，可认为刚接，因此对法兰底部的钢管及加劲板节点施加刚性约束。

在法兰上部钢管顶面施加轴力和弯矩荷载，根据圣维南原理，令法兰上部钢管长度为1倍钢管直径。对钢管顶面的每个节点施加集中力，以实现轴向均布受力效果。弯矩的施加过程如下：(1)在钢管顶面中心处建立一个MASS21单元，令其具有6个方向的自由度Uxyz及ROTxyz；(2)选中该MASS单元节点和钢管顶面各节点，通过CERIG命令建立刚性面，保证弯矩的传递；(3)对MASS单元施加集中弯矩。

为了更好分析法兰的受力性能，进行脉动风荷载时程分析。从整个构架的模型中提取得到法兰的轴力和弯矩时程曲线，导入该法兰模型并进行时程计算。法兰所受轴力FZ和弯矩MX、MY的时程曲线如图7所示。

鉴于有限元模型节点和单元数较多，为兼顾计算效率和计算精度，取0～60s的荷载进行时程分析，分析步长为0.1s。

取临近加载结束时受力较大的荷载步time＝52.9进行说明。根据模拟结果可知法兰盘普遍受力较小，最大应力为155MPa，受力较大处均分布在螺栓孔周围，法兰盘边缘应力很小。加劲板上最大应力为266MPa，出现在加劲板与钢管交界的应力集中处，而加劲板绝大部分区域的应力都不超过90MPa。螺栓均为轴力受拉状态，最大螺栓应力为279MPa，小于螺栓许用应力。螺栓应力与法兰盘应力分布趋势一致。钢管最大应力为100MPa，位于钢管与加劲板交界处，整个钢管受力均在弹性范围内。

加载结束时的法兰变形如下图所示，法兰盘呈受弯变形特征，法兰盘Z向最大位移为0.037mm，Z向最小位移为-0.024mm，相比法兰直径，此时法兰底部倾斜度约1/8700，表明法兰变形对避雷针变形的贡献很小。

避雷针在风力作用下长期大幅摆动，螺栓应力不断变化，造成部分螺栓发生疲劳损伤，因此对最大应力所在处的螺栓进行疲劳分析。根据模拟得出，应力最大点的应力时程曲线如图8所示。其中，该点的最大应力为394.1MPa，最小应力260.4MPa，螺栓应力幅为133.7MPa。

目前，我国钢结构设计规范对于螺栓受拉连接的疲劳设计缺乏相关的设计规程。国际上，德国规范VDI-2230关于螺栓疲劳的计算较为成熟，可为分析提供参考。VDI-2230中螺栓疲劳极限的交变应力幅可按下式进行计算：

σ_ASV＝0.85(150/d+45)

经计算，针对有限元算例，对应应力循环次数N＝2×10⁶的螺栓应力幅容许值为86.0MPa。螺栓应力幅大于容许应力幅，在使用过程中随着疲劳损伤累计将会出现裂纹，最终导致疲劳破坏。

从另一方面，螺栓预紧力的值也至关重要。预紧力越大，螺栓交变应力就越小，螺栓应力幅也就越小。适当增大螺栓预紧力，不仅能提高螺栓的防松动能力，还能提高螺栓的疲劳寿命。因此，建议螺栓预紧力在合理范围内尽可能取大值。

另外，VDI-2230指出，热处理之后轧制的螺栓，由于引入了残余压应力，其疲劳极限高于热处理之前轧制的螺栓，最高可达到原有的1.7倍。因此，在螺栓的加工工艺上，建议采用热处理之后轧制的螺栓。

当有部分螺栓因为疲劳或其他原因失效以后，剩余螺栓应力因重分布而增大，以典型荷载FZ＝32kN，M＝283kN·m为例，计算螺栓逐个失效后剩余螺栓的受力，计算结果如下表1所示。

表1螺栓逐个失效的计算结果

失效螺栓个数	最大螺栓轴力(kN)	螺栓受拉承载力(kN)
			0	78	184
2	107	184
			4	156	184
6	246	184

当1个螺栓失效时，在典型荷载下，钢管最大应力为248MPa，受力最大螺栓所在区格的法兰盘仍处于弹性阶段，仅螺孔周围应力集中处应力最大为341MPa，该区格的加劲板与法兰盘交界处应力均小于330MPa。螺栓最大应力为544MPa，位于局部应力集中点，该螺栓拉力为149.9kN，未超过螺栓屈服强度，螺栓尚未破坏。此时，法兰盘最大Z向变形为0.54mm，法兰盘倾斜约1/856。

当2个螺栓失效时，在典型荷载下，钢管最大应力为248MPa，受力最大螺栓所在区格的法兰盘多数仍处于弹性阶段，仅螺孔周围应力集中处应力最大为414MPa，该区格的加劲板与法兰盘交界处应力均小于330MPa。螺栓最大应力为655MPa，位于局部应力集中点，该螺栓拉力为179.6kN，未超过但很接近螺栓承载力，螺栓即将破坏。此时，法兰盘最大Z向变形为0.91mm，法兰盘倾斜约1/530。

当3个螺栓失效时，在典型荷载下，钢管最大应力为337MPa，受力最大螺栓所在区格的法兰盘大部分处于弹性阶段，螺孔周围应力集中处应力最大为425MPa，局部开始进入塑性。该区格的加劲板与法兰盘交界处应力大于296MPa，并有部分进入塑性。螺栓最大应力为648MPa，螺杆上受力较大的一面应力普遍超过577MPa，该螺栓拉力为202.5kN，超过螺栓受拉承载力，可认为此时螺栓已经破坏。此时，法兰盘最大Z向变形为1.31mm，法兰盘倾斜约1/371。

当5个螺栓失效时，在典型荷载下，钢管最大应力为363MPa，受力最大螺栓所在区格的法兰盘应力大部分超过293MPa，螺孔周围均进入塑性，该区格的加劲板与法兰盘交界处应力均大于330MPa。螺栓最大应力已经超过600MPa，局部应力集中点甚至达到673MPa，超过螺栓屈服强度，该螺栓拉力为273.3kN，可认为此时螺栓已经破坏。此时，法兰盘最大Z向变形为2.55mm，法兰盘倾斜约1/195，避雷针变形显著。

综合分析以上有限元和手算结果，螺栓依次失效情况下，螺栓最大轴力的发展如图所示。由图9和图10可知，随着螺栓失效个数增多，螺栓最大轴力快速增加。相同失效螺栓下，有限元结果约比手算结果大50kN，这是由于预紧力的存在，手算采用的法兰旋转轴与真实情况存在偏差，导致手算结果螺栓轴力偏小。从螺栓轴力发展的趋势来看，直至3个螺栓失效时，法兰其他螺栓才开始屈服，法兰节点发生破坏。这表明法兰具有较大的静力裕度，可以为提前发现事故隐患提供时间。

同时，随着螺栓逐个失效，法兰盘Z向变形也呈线性增长趋势，针对避雷针顶部位移进行监测，可以及时发现法兰异常变形，为事故提供预警。

鉴于钢材可能出现的低温冷脆问题，法兰的加劲板也可能出现失效的情况。当所有的加劲板均失效时，原本刚性法兰就转变为柔性法兰的型式。针对所有加劲板失效的情况，以典型荷载FZ＝32kN，M＝283kN·m为例，进行有限元计算，计算结果如下。

当有1块加劲板失效时，在典型荷载下，钢管最大应力为253MPa，出现在钢管与法兰盘交界处。受力最大螺栓所在区格的法兰盘应力大部分不超过204MPa，螺孔周围由于应力集中应力较大，最大为305MPa，均为屈服。螺栓最大应力为473MPa，未超过螺栓屈服强度，该螺栓拉力为133.4kN，相比加劲板未破坏时增加了约8kN。此时，法兰盘最大Z向变形为0.31mm，法兰盘倾斜约1/1357。因此，加劲板失效的后果相比螺栓失效更为安全。

当所有加劲板失效时，在典型荷载下，钢管最大应力为390MPa，出现在钢管与法兰盘交界处。受力最大螺栓所在区格的法兰盘应力大部分不超过322MPa，螺孔周围由于应力集中应力较大，最大为413MPa。螺栓最大应力为652MPa，超过螺栓屈服强度，该螺栓拉力为208.1kN，可认为此时螺栓已经破坏。此时，法兰盘最大Z向变形为0.81mm，法兰盘倾斜约1/490。

基于上述分析可知：

1.有限元模型模拟了整个避雷针法兰在脉动风荷载下的受力情况，结果较为准确可信。

2.法兰各部件在脉动风荷载下的应力均在弹性范围内，并且留有较大裕度。

3.螺栓在脉动风荷载下的疲劳应力幅为133.7MPa，超过VDI-2230允许的限值86MPa，疲劳破坏是螺栓断裂的主要原因。

4.螺栓逐个失效时，直至第3个螺栓失效后，最大螺栓力超过其受拉承载力，法兰发生破坏。

5.加劲板失效时，其后果不如螺栓失效严重，因此，应更注意螺栓的保护措施。

6.为避免类似事件，可采取的措施有：

1)提高法兰和螺栓材料要求，选用D级钢；

2)改进螺栓加工工艺，选用热处理之前轧制的螺栓；

3)加强螺栓，保证螺栓裕度，降低螺栓应力，变相降低螺栓应力幅；

4)在合理范围内增加螺栓预紧力，可降低螺栓应力幅；

5)保证法兰盘接触面的平整度，减少因缝隙而引发的避雷针摆动。

上述避雷针法兰设计方法，获取倒塌避雷针的相关信息以分析避雷针倒塌的原因，根据倒塌避雷针的相关信息，运用AR自回归技术，基于Davenport谱模拟脉动风荷载，同时考虑水平及竖向相关性，得到各种结构类型避雷针的风荷载时程样本，再根据各种结构类型避雷针的风荷载时程样本，分析避雷针法兰的受力性能，并根据分析结果对避雷针法兰进行优化，从而能够对避雷针法兰进行优化，提升避雷针的抗风性能，保证避雷针的安全运行。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

实施例二

对应于上文实施例所述的避雷针法兰设计方法，图11示出了本发明实施例提供的避雷针法兰设计程序的运行环境示意图。为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。

在本实施例中，所述的避雷针法兰设计程序200安装并运行于终端设备20中。该终端设备20可包括，但不仅限于，存储器201和处理器202。图11仅示出了具有组件201-202的终端设备20，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。

所述存储器201在一些实施例中可以是所述终端设备20的内部存储单元，例如该终端设备20的硬盘或内存。所述存储器201在另一些实施例中也可以是所述终端设备20的外部存储设备，例如所述终端设备20上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart MediaCard，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器201还可以既包括所述终端设备20的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器201用于存储安装于所述终端设备20的应用软件及各类数据，例如所述加速寿命试验样本分配程序200的程序代码等。所述存储器201还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

所述处理器202在一些实施例中可以是一中央处理器(Central ProcessingUnit，CPU)，微处理器或其他数据处理芯片，用于运行所述存储器201中存储的程序代码或处理数据，例如执行所述避雷针法兰设计程序200等。

该终端设备20还可包括显示器，所述显示器在一些实施例中可以是LED显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)触摸器等。

请参阅图12，是本发明实施例提供的避雷针法兰设计程序200的程序模块图。在本实施例中，所述的避雷针法兰设计程序200可以被分割成一个或多个模块，所述一个或者多个模块被存储于所述存储器201中，并由一个或多个处理器(本实施例为所述处理器202)所执行，以完成本发明。例如，在图12中，所述的避雷针法兰设计程序200可以被分割成信息获取模块301、处理模块302和优化设计模块303。本发明所称的模块是指能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，比程序更适合于描述所述避雷针法兰设计程序200在所述终端设备20中的执行过程。以下描述将具体介绍所述模块301-303的功能。

其中，信息获取模块301，用于获取倒塌避雷针的相关信息，分析避雷针倒塌的原因；所述相关信息包括避雷针的设计信息、材料信息、加工信息和安装信息。

处理模块302，用于根据倒塌避雷针的相关信息，运用AR自回归技术，基于Davenport谱模拟脉动风荷载，同时考虑水平及竖向相关性，得到各种结构类型避雷针的风荷载时程样本。

优化设计模块303，用于根据各种结构类型避雷针的风荷载时程样本，分析避雷针法兰的受力性能，并根据分析结果对避雷针法兰进行优化。

可选的，避雷针的结构类型包括：

架立在构架A字柱上的单钢管避雷针、独立的落地单钢管变截面避雷针、独立的落地等边三角形钢管与角钢格构式结合式的避雷针。

可选的，处理模块302用于：对避雷针法兰进行ANSYS有限元实体建模，分析A字柱顶与上部单钢管避雷针连接法兰在脉动风荷载作用下，避雷针连接法兰的应力及变形。

可选的，处理模块302具体用于：

分析A字柱顶与上部单钢管避雷针连接法兰在脉动风荷载作用下，避雷针连接法兰的法兰螺栓、法兰板和加劲板的应力及变形。

作为一种可实施方式，所述避雷针法兰为刚性法兰，刚性法兰的轴心受拉作用时：

式中：为受力最大的一个螺栓的拉力，N为法兰所受的拉力，n为法兰盘上螺栓数目，为螺栓承载力设计值；

刚性法兰受拉或压或弯共同作用时：

式中：M为法兰所受的弯矩；N为法兰所受的轴心作用力；Y_i为螺栓中心到旋转轴的距离；当M/|N|≥0.8r₂时，取管外径一半的0.8倍为旋转轴；当M/|N|<0.8r₂时，取管中心为旋转轴；Y为受力最大螺栓中心到旋转轴的距离；r₂为钢管外壁半径。

作为另一种可实施方式，法兰盘厚度的设计过程为：

板上均布荷载其中L_y＝min(1.8L_y1,2.2L_y2)；

板中最大弯矩M_max＝β·q·L_x ²；

法兰盘厚度

式中：β为弯矩系数，t为法兰盘厚度，f为材料强度设计值。

作为一种可实施方式，加劲板采用对接焊缝时，加劲板厚度为：

1)竖向对接焊缝时：

2)水平对接焊缝时：

加劲板采用角焊缝时，加劲板厚度为：

式中：P为一个螺栓区格的加劲板对应承受的压力，α为加劲板承担反力的比值，σ_f为垂直于焊缝长度方向的拉应力，τ_f为垂直于焊缝长度方向的剪应力，B为加劲板宽度，t为加劲板厚度，e为P偏心距，h为加劲板高度，S₁为加劲板下端切角高度，S₂为加劲板下端横向切角尺寸，为对接焊缝抗剪、抗拉强度设计值，f为钢材强度设计值，f_v为钢材抗剪强度设计值。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种避雷针法兰设计方法，其特征在于，包括：

获取倒塌避雷针的相关信息，分析避雷针倒塌的原因；所述相关信息包括避雷针的设计信息、材料信息、加工信息和安装信息；

根据倒塌避雷针的相关信息，运用AR自回归技术，基于Davenport谱模拟脉动风荷载，同时考虑水平及竖向相关性，得到各种结构类型避雷针的风荷载时程样本；

根据各种结构类型避雷针的风荷载时程样本，分析避雷针法兰的受力性能，并根据分析结果对避雷针法兰进行优化。

2.如权利要求1所述的避雷针法兰设计方法，其特征在于，避雷针的结构类型包括：

架立在构架A字柱上的单钢管避雷针、独立的落地单钢管变截面避雷针、独立的落地等边三角形钢管与角钢格构式结合式的避雷针。

3.如权利要求2所述的避雷针法兰设计方法，其特征在于，所述根据各种结构类型避雷针的风荷载时程样本，分析避雷针法兰的受力性能，包括：

对避雷针法兰进行ANSYS有限元实体建模，分析A字柱顶与上部单钢管避雷针连接法兰在脉动风荷载作用下，避雷针连接法兰的应力及变形。

4.如权利要求3所述的避雷针法兰设计方法，其特征在于，所述分析A字柱顶与上部单钢管避雷针连接法兰在脉动风荷载作用下，避雷针连接法兰的应力及变形，包括：

分析A字柱顶与上部单钢管避雷针连接法兰在脉动风荷载作用下，避雷针连接法兰的法兰螺栓、法兰板和加劲板的应力及变形。

5.如权利要求4所述的避雷针法兰设计方法，其特征在于，所述避雷针法兰为刚性法兰，刚性法兰的轴心受拉作用时：

式中：为受力最大的一个螺栓的拉力，N为法兰所受的拉力，n为法兰盘上螺栓数目，为螺栓承载力设计值；

刚性法兰受拉或压或弯共同作用时：

式中：M为法兰所受的弯矩；N为法兰所受的轴心作用力；Y_i为螺栓中心到旋转轴的距离；当M/|N|≥0.8r₂时，取管外径一半的0.8倍为旋转轴；当M/|N|<0.8r₂时，取管中心为旋转轴；Y为受力最大螺栓中心到旋转轴的距离；r₂为钢管外壁半径。

6.如权利要求5所述的避雷针法兰设计方法，其特征在于，法兰盘厚度的设计过程为：

板上均布荷载其中L_y＝min(1.8L_y1,2.2L_y2)；

板中最大弯矩M_max＝β·q·L_x ²；

法兰盘厚度

式中：β为弯矩系数，t为法兰盘厚度，f为材料强度设计值。

7.如权利要求6所述的避雷针法兰设计方法，其特征在于，加劲板采用对接焊缝时，加劲板厚度为：

1)竖向对接焊缝时：

2)水平对接焊缝时：

加劲板采用角焊缝时，加劲板厚度为：

式中：P为一个螺栓区格的加劲板对应承受的压力，α为加劲板承担反力的比值，σ_f为垂直于焊缝长度方向的拉应力，τ_f为垂直于焊缝长度方向的剪应力，B为加劲板宽度，t为加劲板厚度，e为P偏心距，h为加劲板高度，S₁为加劲板下端切角高度，S₂为加劲板下端横向切角尺寸，f_t ^W为对接焊缝抗剪、抗拉强度设计值，f为钢材强度设计值，f_v为钢材抗剪强度设计值。

8.一种避雷针法兰设计装置，其特征在于，包括：

信息获取模块，用于获取倒塌避雷针的相关信息，分析避雷针倒塌的原因；所述相关信息包括避雷针的设计信息、材料信息、加工信息和安装信息。

处理模块，用于根据倒塌避雷针的相关信息，运用AR自回归技术，基于Davenport谱模拟脉动风荷载，同时考虑水平及竖向相关性，得到各种结构类型避雷针的风荷载时程样本。

优化设计模块，用于根据各种结构类型避雷针的风荷载时程样本，分析避雷针法兰的受力性能，并根据分析结果对避雷针法兰进行优化。

9.一种避雷针法兰设计终端设备，其特征在于，包括存储器、处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如下步骤：

获取倒塌避雷针的相关信息，分析避雷针倒塌的原因；所述相关信息包括避雷针的设计信息、材料信息、加工信息和安装信息；

根据倒塌避雷针的相关信息，运用AR自回归技术，基于Davenport谱模拟脉动风荷载，同时考虑水平及竖向相关性，得到各种结构类型避雷针的风荷载时程样本；

根据各种结构类型避雷针的风荷载时程样本，分析避雷针法兰的受力性能，并根据分析结果对避雷针法兰进行优化。

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任一项所述方法的步骤。