技术摘要：
本发明公开了一种用于输变电基础的保温隔热体系的设计方法，采用数值计算手段研究实际工程地区季节性冻土对杆塔基础的温度场和力学场影响规律，为输变电基础保温体系设计提供经济适用有效的关键设计指导参数。通过对季冻区输电塔基础材料性质或结构形式的数值计算，进  全部
背景技术：
当气温在0℃及其以下时，土层中含有固态的水，而且其性质随着温度条件的变化 而有相应的改变，并且会有热融滑塌、融陷和冻胀等现象。这样的土层就叫做冻土。按照持 续时间划分，冻土可以分为多年冻土和季节性冻土。所谓的季节性冻土就是指在冬季会冻 结，而在夏季会融化的冻土。季节性冻土因为会随着季节的变化而发生冻结或融化，所以容 易使地基发生不均匀沉降，从而给地基稳定性带来严重的影响。当温度降到0℃以下时，冻 土就会冻结，土中原有的水分也会结冰，水结冰之后体积会发生膨胀，这时，基础就会产生 隆起；当温度升高，冻土开始融化时，因水体积膨胀而产生的张力就会消失，基础就会发生 塌陷。受采暖情况与建筑结构的影响，建筑的周边会周期性地发生不均匀沉陷和冻胀，这会 对地基的稳定性带来不利影响，同时还有可能导致墙体开裂、台阶隆起、顶棚抬起等现象， 甚至还会引起建筑物的倾倒。所以，在进行输电杆塔的基础设计时，必须重视季节性冻土对 杆塔基础的影响。 甘肃省中西部地区，属于典型的季节冻土区，大部分地区处于中-深季节冻土区， 在我国冻融区划中属于青藏高原、西北高山强度冻融区及西北黄土高原中度冻融区，具有 冻结期长、冻结深度大、冻融作用强烈等特点。根据我国电网规划，未来在甘肃省中西部地 区仍将有大量的输变电工程的建设任务。这些工程的建设将不可避免地遇到季节冻融层反 复冻融作用下基础的(不均匀)冻胀及冻拔等冻融病害及混凝土材料的冻融损伤劣化问题。 因此，对于区域内的输变电工程建设而言，如何有效防治基础冻融病害和材料冻融损伤问 题，是目前科研及工程设计人员亟待解决的问题。 马卫东和李成(2004)探讨了对于冻土区路基工程中冻胀融沉问题使用的一些技 术措施，包括不同形式的路基以及热棒、保温材料在冻土区路基工程中的应用。韦东林和向 华国(2017，公开号CN107973576A)以硅酸盐水泥、硅藻土、泡沫塑料颗粒、硅酸铝纤维棉等 材料发明了一种具有隔热保温建筑材料。吕宗平等(2019，公开号CN110453556A)公开一种 地基土保温防冻处理方法。张望进(2018，公开号CN208815556U)公开的发明专利中，提出了 一种能够保证承重力基础上加强保温性能的一种隔热保温建筑地基结构。江海红(2019，公 开号CN208586629U)应用多孔硅酸盐材料进行建筑基础的保温隔热。 但是，尚存在如下问题，(1已有的研究成果和工程措施适应范围小，实际应用时需 充分考虑当地的气候条件、地理环境等因素的影响。(2考虑季节冻融作用的输变电线路基 础设计方法有待完善。 引用文献： 李孝臣.季节冻土区高压输电杆塔斜面基础研究[D] .哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2008. 4 CN 111581858 A 说　明　书 2/4 页 王兰民，马巍，陈正汉，等.特殊土工程中的关键科学问题研究与展望[C].第二届 全国岩土与工程学术大会论文集，武汉，2006. 叶阳升，蔡德钩，姚建平，等.高速铁路特殊土路基工后沉降变形控制技术[C].中 国科协年会：软土路基工程技术研讨会，2012.
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于输变电基础的保温隔热体系与设 计方法，采用数值计算手段研究实际工程地区季节性冻土对杆塔基础的温度场和力学场影 响规律，为输变电基础保温体系设计提供经济适用有效的关键设计指导参数。 为了解决上述技术问题，本发明利用大型有限元数值计算软件ANSYS对不同热防 护隔热材料导热系数、热防护隔热材料结构形式、地表温度、底层土体温度等进行详尽的数 值计算与分析，得到不同工况下输变电基础的变形、应力、温度数值结果及分布云图等。该 方法包括以下内容： 首先是该模拟使用的热力耦合模型基本方程： 该传热过程是瞬态非线性问题，热传导微分方程为： 其中c为比热容，单位为J/(kg·℃)；k为导热系数，单位为W/(m·℃)；T为温度，单 位为℃；t为时间，单位为s；X，Y，Z分别表示传热方向。 由热应力和热应变表达式，根据弹性力学平衡方程，可得到热弹性力学的平衡微 分方程，为： 其中，FX，FY，FZ分别为单位体积的体积力在X，Y，Z轴的分量； 为Laplace算子；μ 为泊松比；E为弹性模量；ΔT为两时刻的温差；α为热膨胀系数；εX，εY，εZ为热应变。 e＝εX εY εZ 以下为具体步骤 步骤S1，打开ANSYS软件，定义分析文件名，选择文件存储位置。 步骤S2，定义单元类型。选择具有二维磁场-热场-电场-结构场之间耦合功能的分 5 CN 111581858 A 说　明　书 3/4 页 析单元。 步骤S3，定义材料属性。该模拟需要的参数包括热学参数和力学参数。热学参数包 括比热容和导热系数；力学参数包括密度、泊松比、弹性模量和热膨胀系数。为研究土体冻 胀影响，以上参数均采用与温度有关的物理参数，具体数值结合实际勘察报告与已有经验 公式确定。 步骤S4，建立几何模型。综合考虑实际工程地质参数报告与地层表面温度向地表 以下传播影响规律，选取计算深度及计算宽度。采用CAD建立模型并导入ANSYS软件。 步骤S5，网格划分。采用适宜的网格单元大小及网格单元密度进行划分。 步骤S6，施加边界条件及荷载。根据实际工程情况择选几个工况，对模型施加热学 和力学边界条件及荷载。 步骤S7，设置求解选项、收敛准则并求解。分析类型选用瞬态分析，载荷步选择渐 变控制，以定时间步长迭代计算。 步骤S8，后处理。运算完成后，得到不同工况下的热学和力学数值结果及分布云图 等。分析不同工况下模型的温度场和力学场的变化情况。通过参数分析，得到多参数如结构 形式、荷载条件、热防护材料导热系数等不同工况下的影响规律。 本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明 提供一种用于输变电基础的保温隔热体系与设计方法，具有一定的技术进步性及实用性， 并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点： (1)本发明借助大型应用软件ANSYS进行模拟数值计算，可模拟现场工程环境，实 用经济且适应性广。 (2)本发明实现了季冻区输电塔基础在不同工况下的热力耦合计算，获得了基础 周围冻土温度、位移、应力变化数值结果及分布云图。 (3)本发明能够计算在不同环境工况下，季冻区输电塔基础材料性质或结构形式 等对其热防护的影响，继而进行输变电基础的保温隔热体系的设计优化。 附图说明 图1是三种不同的热防护结构形式的输电塔基础的结构示意图。 图2为不同热防护结构形式中模型中心线的温度随深度的变化情况。 图3是不同工况的温度分布云图。 图4是输电塔保温基础的结构图。 图中：1-保温隔热层，2-回填土，3-承台。