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摘要：在输电线路中，拉线塔靠埋置地下的接线地锚保证杆塔在服役过程中不倾覆和不上拔，具有质量轻、造价低、环保和施工方便等优点。地锚直接影响着拉线塔的稳定性，结合杆塔结构的特点和相关地质特征，采用基于MATLAB遗传算法的结构优化程序，对架空输电线路拉线地锚结构进行了优化设计与分析，将结构安全与经济因素结合起来作为目标，优化拉线地锚的结构型式的埋置深度。
关键词：输电线路；遗传算法、接线地锚；土重法
引言
拉线塔质量轻、造价低、环保和施工方便等优点，在国内上世纪70年代开
始大幅推广，大部分拉线塔运行年代较久，基于拉线地锚的研究能对运行线路状态分析至关重要。研究表明，拉线基础结构的稳定性主要取决于拉线地锚的构造尺寸、埋置深度、地质特征及荷载等因素[1,7]。
在常规拉线地锚常规计算基础上，采用遗传算法，利用MATLAB自行编制拉线地锚结构优化程序，满足拉线基础上拔稳定性的前提下，对输电线路拉线地锚的结构进行特性分析，优化地锚结构尺寸，最后将优化设计方法与相应规范吻合度一致，该优化方法是实用、可靠的，为拉线地锚结构的制备及设计方法提供理论依据和技术支持。
1研究方法
1.1优化设计模型
输电拉线杆塔结构多采用开挖基坑施工，因此对拉线基础的上拔稳定性一般采用“土重法”进行计算[1，7]。其计算原理为，假定拉线地锚在破坏而被拔出时，只计算拉线基础本身自重及上拔倒截四棱土锥台体的重量，忽略带走土体与周围土壤的摩擦力，并不计土壤颗粒间的黏聚力。这样做比较符合实际，也相对安全。
拉线地锚的埋置方式如图1所示。拉线基础可分为浅埋（ht≤hc）和深埋（ht>hc）2种情况来进行考虑，且实际埋置深度ht不应小于0.5m。其中hc为基础的临界埋置深度，其值与土的性质和基础尺寸有关[1]。
式中，t1为拉线地锚的计算厚度，t1=bcosω；β为土的计算内摩擦角，（°）。
拉线地锚应满足配筋强度要求[1]：
式中，MⅠ和MⅡ分别为拉线地锚截面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ截面的设计弯矩；t0为截面计算有效高度；fy为钢筋的抗拉设计强度；t为拉线地锚厚度；l0和b0分别为拉线地锚底面的长边和短边长度；A1和A2分别为拉线地锚横向和纵向配筋的计算截面面积，如图2所示。
1.3优化设计变量的确定
设拉线地锚的长度、宽度、埋深、底面长度、底面宽度及厚度分别为x1、x2、x3、x4、x5、x6，则拉线地锚的结构优化设计的变量可取：
各设计变量如图2所示，对于拉线地锚，t′=0.5t，t0=t-an，文中取an=0.05m。
1.4优化设计目标函数的确定
考虑到拉线地锚结构的各项经济因素，本文以拉线地锚从制作到安装全过程所需总费用f为目标函数。设制作地锚所需钢筋费用为f1；所需混凝土费用为f2；材料运输费用为f3；基坑开挖费用f4（人工掏挖f4′，机器掏挖f″4）；浇制垫层混凝土费用f5；回填土费用f6；方案造价中其他费用f7（人工施工f′7，机器施工f″7）。利用MATLAB遗传算法优化目标函数，求其最小值minf（f1，f2，f3，f4，f5，f6，f7）。
优化目标函数为
f=f1+f2+f3+f5+f6+f7（15）
这样在满足实际工程结构安全的前提下，降低工程造价。
1.5优化设计步骤
MATLAB的优化工具箱提供了对各种优化问题的一个完整的解决方案，其内容涵盖线性规划、二次规划、非线性规划、最小二乘问题、非线性方程求解、最小最大问题等的优化问题。遗传算法（GA）是借鉴生物界自然选择和群体进化机制形成的一种全局寻优算法。它将问题空间中的决策变量通过一定编码方法表示成遗传空间的一个个体；同时，将目标函数值转换成适应值，用来评价个体的优劣，并作为遗传操作的依据。遗传操作包括3个算子：选择、交叉和变异。遗传算法的基本步骤如下：
1）在一定编码方案下，随机产生一个初始种群。
2）用相应的解码方法，将编码后的个体转换成问题空间的决策变量，并求得个体的适应值。
3）按照个体适应值的大小，从种群中选出适应值较大的一些个体构成交配池。
4）由交叉和变异2个遗传算子对交配池中的个体进行操作，并形成新一代的种群。
5）反复执行步骤2）到4），直至满足收敛要求。
2工程实例分析
本工程实例选用常见的500kV拉线门型塔，型号为GJ-135，在大风工况下拉线张力为165.88kN。拉线基础类型：长方形底板，且l/b的值不大于3。设计工程地质条件：土壤为一般黏性土，且为硬塑状态。取土壤的计算容重γ0=17kN/m3，上拔角α=25°，计算内摩擦角β=35°。取最常用的拉线与地面间的夹角ω=45°。选取拉线地锚常用的混凝土等级C20，钢筋选取Ⅱ级抗拉钢筋。
对于高强度拉线铁塔[1]，500kV架空输电线路拉线地锚一般选用LP12（1.2m×0.6m×0.3m）及以上，并且拉线地锚埋深不小于2m。因此，在优化过程中，取自变量的优化下限：LB=[1.2；0.6；2.0；1.2；0.6；0.3]。而拉线地锚的结构尺寸一般不超过2m，埋深不超过4m，取自变量的优化上限：UB=[2；2；4；2；2；1]。
首先编制出适应度函数myfunction（）和非线性约束函数mynonlcon（），将它们分别代入自行编制的MATLAB遗传算法优化程序进行优化。优化过程中，分别考虑人工施工和机械施工时所需开挖基坑的费用。
2.1人工施工
对于人工施工时优化运行结果如表1所示。图3给出了相应人工施工时拉线地锚的优化结构尺寸。图3中可见，对于给定大风工况条件下，拉线地锚的优化埋置深度为ht=2.665m。
表1 人工施工时的优化结果
图4 人工施工最佳优化结果随遗传代数的变化
2.2机械施工
同样，利用MATLAB遗传算法优化程序进行优化，得到机械施工时优化运行结果如表2所示，图5给出了相应的机械施工时最佳优化结构尺寸。对于给定的大风工况下，当机械施工时，拉线地锚的优化埋置深度为ht=2.66m，与人工施工类似。图6还给出了相应的机械施工时最佳优化迭代结果。图中显见，优化迭代到第51代后，优化结果基本保持不变，因此可得到机械施工时最佳优化结果为f=13219.8元。
表2机械施工优化结果
通过表3比较可知，当以所需的费用为目标函数，上拔稳定性和强度要求为约束条件时，本文所得到优化结果与相应规范吻合较好。由于受当地经济因素的限制，以及结构安全等因素，文中优化结构尺寸比规范稍小。但对于人工和机械2种施工方式，利用MATLAB遗传算法所优化的拉线地锚结构尺寸和埋深基本一致。对于所需费用，机械施工费用要低于人工施工。因此，对于拉线地锚基坑开挖时，尽量选择以机械施工为主。研究结果表明，通过MATLAB遗传算法能够实现最合理的输电线路拉线地锚的结构优化设计。此优化方法可以在目前架空输电线路拉线塔基础中推广使用，并发挥其显著的经济效益和社会效益。
3结论
利用MATLAB遗传算法自行编制优化程序，对输电线路拉线地锚的结构进行了优化设计与分析，可得到如下结论：
1）在满足输电拉线地锚结构安全稳定性的前提下，并考虑到了经济因素，使得该优化设计方法计算准确、安全和可靠。结合工程实际，给出了具体优化结果，其优化结构尺寸与规范吻合较好，从而证明了该方法可在架空输电线路拉线杆塔基础中推广应用。
2）该优化方法简单易学、安全可靠，应用MATLAB遗传算法对输电线路拉线地锚结构进行优化设计与分析，可大大提高工程师和设计者的工作效率。
3）对于机械和人工2种方式施工时，所优化拉线地锚结构尺寸和埋置深度基本相同，但机械施工优化费用要低于人工施工。因此，对于架空输电线路拉线杆塔基础施工方式选择时，应尽量选择机械施工。
参考文献
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[7]DL/T5219—2005架空送电线路基础设计技术规定[S].北京:中国电力出版社，2005.
作者简介：
1、王向阳：1983，男，安徽岳西，汉，硕士研究生，
2、王龙，1988，女， 湖南益阳，汉，大学本科，
3、胡祖伟：1985，男,安徽安庆,汉，硕士研究生
工作单位：安徽华电工程咨询设计有限公司
论文作者:王向阳,王龙,胡祖伟
论文发表刊物:《电力设备》2016年第19期
论文发表时间:2016/12/8
标签：结构论文; 线路论文; 算法论文; 优化设计论文; 机械论文; 费用论文; 基础论文; 《电力设备》2016年第19期论文;