傳感器監(jiān)測(cè)鐵塔傾斜的理實(shí)對(duì)比分析.doc

傳感器監(jiān)測(cè)鐵塔傾斜的理實(shí)對(duì)比分析王德賀1,甘鳳林2（1.南方電網(wǎng)貴州電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴陽(yáng)市 550000;1.中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100032）摘要：在輸電線(xiàn)路中經(jīng)常會(huì)由于外部工況的變化導(dǎo)致輸電鐵塔的塔腿失穩(wěn)而導(dǎo)致倒塔事故的發(fā)生，而鐵塔失穩(wěn)必然會(huì)引起鐵塔主材內(nèi)力的變化，為了對(duì)此類(lèi)原因?qū)е碌牡顾鹿蔬M(jìn)行提早預(yù)測(cè)，本文提出利用安裝在鐵塔主材處類(lèi)似包角鋼形狀的一種特制的應(yīng)變式傳感器來(lái)反映鐵塔主材的受力狀態(tài)，根據(jù)傳感器的輸出值來(lái)判斷鐵塔內(nèi)力是否即將要達(dá)到失穩(wěn)的臨界狀態(tài)，以此來(lái)達(dá)到對(duì)倒塔進(jìn)行智能預(yù)警的目的，保證輸電線(xiàn)路的正常安全運(yùn)行。關(guān)鍵詞：傳感器；倒塔預(yù)警；塔腿失穩(wěn)；試驗(yàn)研究引言在我國(guó)中西部尤其是湖北、山西地區(qū)地表結(jié)構(gòu)比較特殊，地表土體受采空區(qū)影響容易導(dǎo)致土體沉陷，土體的沉陷不易用肉眼觀察。輸電鐵塔塔腿處地表土體下沉導(dǎo)致該塔腿處于懸空狀態(tài)，在受強(qiáng)風(fēng)等外界工況影響下，易導(dǎo)致倒塔斷線(xiàn)等電力事故的發(fā)生1。為了避免由此種因素造成的倒塔事故，現(xiàn)提出一種新方案：由于塔腿懸空狀態(tài)下，該塔腿的塔腿主材應(yīng)力會(huì)發(fā)生規(guī)律性的變化，通過(guò)在塔腿處加裝定制的應(yīng)變式傳感器，對(duì)塔腿主材應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)控，從而達(dá)到對(duì)塔腿土體沉陷的預(yù)警作用，避免了倒塔事故的發(fā)生。目前最常用的擬合直線(xiàn)計(jì)算方法有理論直線(xiàn)法、端點(diǎn)直線(xiàn)法和最小二乘直線(xiàn)法2。最小二乘直線(xiàn)法雖不能保證m為最小，但它的擬合精度最高，可以保證在滿(mǎn)量程范圍內(nèi)的總體誤差為最小，盡量減小使用時(shí)的測(cè)量誤差，這也是處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最為常用的直線(xiàn)擬合方法 3。本文就采用最小二乘法對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行直線(xiàn)擬合，方程式為：V=a0+K2P （1） 本次試驗(yàn)研究分室內(nèi)試驗(yàn)和室外鐵塔試驗(yàn)兩部分。通過(guò)室內(nèi)和室外兩部分試驗(yàn)，得出主材應(yīng)力值與傳感器輸出值之間的一元線(xiàn)性回歸方程，并針對(duì)兩部分試驗(yàn)得出的方程做對(duì)比分析，驗(yàn)證理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證的正確性。1 輸電塔的非線(xiàn)性有限元建模理論1.1非線(xiàn)性描述方法的選擇對(duì)于物體的非線(xiàn)性描述主要是UL和TL （Total Langrange）兩種方法，不同之處在于TL法以t0時(shí)刻的構(gòu)型為參照構(gòu)型，而UL法則取t時(shí)刻的構(gòu)型為參考構(gòu)型。同時(shí)，TL法適用于“中等程度轉(zhuǎn)動(dòng)”，而UL法在合適的加載步長(zhǎng)下，即使對(duì)于大轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題，也仍然能夠得到非常精確的結(jié)果4。所以，本文采用UL法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線(xiàn)性描述。1.2 基于材料非線(xiàn)性和幾何非線(xiàn)性的雙重非線(xiàn)性桿單元?jiǎng)偠染仃嚨耐茖?dǎo)對(duì)于桿單元的幾何非線(xiàn)性問(wèn)題，文獻(xiàn)5中已經(jīng)推導(dǎo)出基于UL法的桿單元在t時(shí)的剛度矩陣，如下：式中：為線(xiàn)性剛度矩陣，為非線(xiàn)性幾何剛度矩陣，為線(xiàn)彈性矩陣， 、分別為線(xiàn)性應(yīng)變矩陣和非線(xiàn)性應(yīng)變矩陣。文獻(xiàn)6指出，對(duì)于雙重非線(xiàn)性問(wèn)題，幾何非線(xiàn)性描述的單元增量平衡方程依然成立，只需要在剛度矩陣中用彈塑性矩陣代替線(xiàn)彈性矩陣，又因?yàn)閺椝苄跃仃嚳梢岳斫鉃閺椥跃仃嚺c塑性矩陣的疊加，即，則有式中： ，為塑性矩陣，為材料常數(shù)，為塑性模量，所以，基于UL法的桿單元t時(shí)刻的雙重非線(xiàn)性的剛度矩陣為：式中： 為線(xiàn)性剛度矩陣，為非線(xiàn)性幾何剛度矩陣，為塑性矯正矩陣，其表達(dá)式如下 同理可得基于UL法的梁?jiǎn)卧p重非線(xiàn)性的剛度矩陣的表達(dá)式，在此不予贅述。1.3 非線(xiàn)性有限元平衡方程的建立及求解根據(jù)UL描述法，在整體坐標(biāo)系下的，從t時(shí)刻到t+t時(shí)刻的荷載步中，結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性增量平衡方程為： 式中：為t時(shí)刻結(jié)構(gòu)的總的切線(xiàn)剛度矩陣，為結(jié)構(gòu)從t時(shí)刻到t+t時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)位移增量，為結(jié)構(gòu)在t+t時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)荷載力向量，為t時(shí)刻單元應(yīng)力的等效節(jié)點(diǎn)荷載力向量。根據(jù)文獻(xiàn)5分析，非線(xiàn)性方程組采用Newton-Raphson迭代求解更能體現(xiàn)UL法的優(yōu)點(diǎn)，故本文采用此方法求解方程組。有限元計(jì)算過(guò)程中變形對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響由Ansys軟件中的大變形效應(yīng)和應(yīng)力剛化效應(yīng)考慮。1.4 建立鐵塔有限元模型材料為各向同性硬化材料，符合V.Mises初始屈服條件和流動(dòng)法則，且為相關(guān)流動(dòng)；結(jié)構(gòu)為大位移小變形運(yùn)動(dòng)；節(jié)點(diǎn)為理想空間剛節(jié)點(diǎn)或理想的空間鉸接點(diǎn)；不計(jì)構(gòu)件加工、安裝誤差及材料初始缺陷；在ANSYS軟件中，輔材采用Link8桿單元，僅受軸力，主材和橫隔采用Beam188梁?jiǎn)卧?，該單元為考慮切應(yīng)變且不考慮截面翹曲的Timoshenko梁?jiǎn)卧? 室內(nèi)主材試件拉、壓力試驗(yàn)把傳感器與內(nèi)包鐵角鋼、主材角鋼連接在一起，組成室內(nèi)試驗(yàn)試件，以模擬傳感器加裝至鐵塔塔腿處主材的真實(shí)試驗(yàn)場(chǎng)景。室內(nèi)試驗(yàn)組裝如圖1所示。室內(nèi)試驗(yàn)包括試件的拉力試驗(yàn)和壓力試驗(yàn)，以便更好的模擬鐵塔塔腿懸空時(shí)主材的受力情況。拉、壓力試驗(yàn)為靜力加載，每次荷載增加值為8KN，等速率負(fù)荷控制5KN/S，保持時(shí)間40S，最大加載值為80KN7。加載至每一子步時(shí)記錄傳感器讀數(shù)，分別進(jìn)行多組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)后對(duì)螺栓重新緊固8。2.1試件壓力試驗(yàn)將試件固定在試驗(yàn)臺(tái)上，進(jìn)行壓力試驗(yàn)，如圖所示1。圖1 試件壓力試驗(yàn)組裝Fig.1 Pressure test以傳感器輸出值為x（單位：N）軸，試件所受應(yīng)力為y（單位：Pa）軸，得出2T-7395和2T-7398傳感器輸出值與試件所受應(yīng)力的數(shù)據(jù)如表1、表2關(guān)系曲線(xiàn)如圖2、圖3所示。由最小二乘法得出一元線(xiàn)性回歸關(guān)系式分別為： y1= 891.67x1 + 20267 （10） y2= 891.78x2+ 22203 （11）表1 2T-7395傳感器輸出與主材應(yīng)力數(shù)據(jù)表 實(shí)驗(yàn)頻次加載值（KN）傳感器受力值(N)主材應(yīng)力值(Pa)傳感器輸出值（N）0000 0 1840001639344 1545 21680003278689 3557 324120004918033 5537 432160006557377 7464 540200008196721 9356 648240009836066 11214 7562800011475410 12985 8643200013114754 14700 9723600014754098 16350 10804000016393443 18159 0200000040000006000000800000010000000120000001400000016000000180000005000100001500020000傳感器輸出值(N)主材理論計(jì)算值(Pa)圖2 2T-7395壓力試驗(yàn)關(guān)系曲線(xiàn)圖Fig.2 2T-7395 pressure sensor test curve 表2 2T-7398傳感器輸出與主材應(yīng)力數(shù)據(jù)表實(shí)驗(yàn)頻次加載值（KN）傳感器受力值(N)主材應(yīng)力值(Pa)傳感器輸出值（N）0000 0 1840001639344 1542 21680003278689 3554 324120004918033 5530 432160006557377 7458 540200008196721 9359 648240009836066 11211 7562800011475410 12985 8643200013114754 14693 9723600014754098 16346 10804000016393443 18153 0200000040000006000000800000010000000120000001400000016000000180000005000100001500020000傳感器輸出值(N)主材應(yīng)力計(jì)算值(Pa)圖3 2T-7398壓力試驗(yàn)關(guān)系曲線(xiàn)圖Fig.3 2T-7398 pressure sensor test curve根據(jù)試件壓力試驗(yàn)得出的關(guān)系曲線(xiàn)，可以得出在試件受壓時(shí)，傳感器輸出值與試件所受應(yīng)力之間有良好的線(xiàn)性關(guān)系，壓力試驗(yàn)設(shè)計(jì)合理。2.2試件拉力試驗(yàn)將試件固定在試驗(yàn)臺(tái)上，進(jìn)行拉力試驗(yàn)，如圖所示4。圖4 試件拉力試驗(yàn)組裝圖 Fig.4 Tensile testing同壓力試驗(yàn)相同，以傳感器輸出值為x（單位：N）軸，試件所受應(yīng)力為y（單位：Pa）軸，得出三組傳感器輸出值與試件所受應(yīng)力的關(guān)系曲線(xiàn)如圖5、圖6、圖7所示。由最小二乘法得出一元線(xiàn)性回歸關(guān)系式分別為： y3 = 979.83x3 - 1E+06 （12） y4 = 961.8x4+ 300435 （13） y5 = 950.54x5 - 1E+06 （14）-50000005000000100000001500000020000000250000000500010000150002000025000傳感器輸出值(N)主材應(yīng)力計(jì)算值(Pa)圖5 5T傳感器拉力試驗(yàn)關(guān)系曲線(xiàn)圖Fig.5 5T tension force sensor test curve0500000010000000150000002000000025000000500010000150002000025000傳感器輸出值(N)主材應(yīng)力計(jì)算值(Pa)圖6 2T傳感器拉力試驗(yàn)關(guān)系曲線(xiàn)圖 Fig.6 2T tension force sensor test curve-50000000500000010000000150000002000000025000000500010000150002000025000傳感器輸出值(N)主材應(yīng)力計(jì)算值(Pa) 圖7 5T傳感器應(yīng)變儀拉力試驗(yàn)關(guān)系曲線(xiàn)圖Fig.7 5T strain gauge tension force sensor test curve根據(jù)試件拉力試驗(yàn)得出的關(guān)系曲線(xiàn)，可以得出在試件受拉時(shí)，傳感器輸出值與試件所受應(yīng)力之間有良好的線(xiàn)性關(guān)系，拉力試驗(yàn)設(shè)計(jì)合理。以室內(nèi)拉、壓力試驗(yàn)為參照，可以將傳感器加裝至鐵塔塔腿處主材上進(jìn)行鐵塔試驗(yàn)，進(jìn)行鐵塔主材受力與傳感器輸出值之間關(guān)系的研究，并與室內(nèi)試驗(yàn)作對(duì)比分析，驗(yàn)證理論的可行性和試驗(yàn)的正確性。3 室外鐵塔試驗(yàn)為了模擬出由輸電鐵塔塔腿懸空給鐵塔主材應(yīng)力造成的影響，現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)基地一基鐵塔進(jìn)行單側(cè)加載，鐵塔塔身沿線(xiàn)路方向有結(jié)構(gòu)位移，使得塔腿處主材主要受到軸向拉壓作用，從而較為準(zhǔn)確模擬了塔腿懸空。本試驗(yàn)采用SJD-90終端轉(zhuǎn)角塔為試驗(yàn)塔，該塔呼高17米，塔高26.5米，塔身主材為16Mn 125*10。拉壓傳感器四個(gè)，分別加裝 圖8 鐵塔傾斜試驗(yàn)圖至鐵塔塔腿處主材上，分別 Fig.8 Tower tilt test用編號(hào)1、2、3、4表示，如圖8所示。 通過(guò)ANSYS軟件對(duì)試驗(yàn)塔進(jìn)行建模并按照試驗(yàn)方案及試驗(yàn)加載值對(duì)模型進(jìn)行加載，得到安裝傳感器位置處的桿件應(yīng)力理論計(jì)算值9。以傳感器輸出值為x軸(單位：N)，以主材應(yīng)力計(jì)算值為y軸(單位：Pa),得到應(yīng)力值與傳感器輸出值之間的關(guān)系曲線(xiàn)(數(shù)據(jù)如表3、表4)如下圖所示：表3外加荷載(kN)1位置2位置傳感器輸出值（N）理論應(yīng)力值（MPa,初始力120N）傳感器輸出值（N）理論應(yīng)力值（MPa,初始力120N）0-9212 -3.590 -10192 -3.630 2-12074 -5.460 -13054 -5.500 3.8-13789 -7.140 -14994 -7.190 5.7-15513 -8.920 -16395 -8.970 7.6-16366 -10.700 -17542 -10.700 9.8-17503 -12.700 -18483 -12.800 11.7-19130 -14.500 -20227 -14.600 13.8-20658 -16.500 -22128 -16.500 16-22070 -18.500 -23745 -18.600 17.8-23471 -20.200 -24843 -20.300 19.8-24794 -22.100 -26391 -22.200 21.9-26039 -24.000 -26911 -24.100 23.6-27136 -25.600 -28165 -25.700 20-24853 -22.300 -26470 -22.300 16-22070 -18.500 -23442 -18.600 12.2-17914 -15.000 -20854 -15.100 8.4-14641 -11.400 -17875 -11.500 4.4-11613 -7.700 -15611 -7.750 0-8614 -3.590 -7683 -3.630 12.1-17895 -14.900 -17895 -15.000 23.8-29841 -25.800 -28224 -25.900 12.3-16778 -15.100 -20874 -15.100 0-7987 -3.590 -7624 -3.630 4.2-11701 -7.510 -15033 -7.560 8-14318 -11.100 -18718 -11.100 12-17042 -14.800 -20590 -14.900 16-20551 -18.500 -23402 -18.600 20-25068 -22.300 -26048 -22.300 23.8-29919 -25.800 -28449 -25.900 19.8-24941 -22.100 -25921 -22.200 16-20384 -18.500 -23324 -18.600 12.1-16425 -14.900 -18875 -15.000 8-12995 -11.100 -18845 -11.100 4-10378 -7.330 -14004 -7.380 0-8369 -3.590 -7291 -3.630 表4外加荷載(kN)3位置4位置傳感器輸出值（N）主材應(yīng)力值（MPa,初始力120N）傳感器輸出值（N）理論應(yīng)力值（MPa,初始力120N）0-3283 -2.950 -3675 -2.940 2-2332 -1.610 -2617 -1.590 3.8-902 -0.395 -951 -0.372 5.72960 0.885 3107 0.914 7.64077 2.170 4204 2.200 9.85566 3.650 5851 3.690 11.77389 4.930 7468 4.980 13.89320 6.350 9261 6.400 1610613 7.830 10780 7.890 17.810878 9.050 12270 9.110 19.813152 10.400 13887 10.500 21.915641 11.800 15719 11.900 23.616964 13.000 17130 13.000 2012995 10.500 13181 10.600 167654 7.830 7742 7.890 12.23508 5.270 3753 5.320 8.4392 2.710 588 2.740 4.4-1735 0.009 -1764 0.034 0-1970 -2.950 -1980 -2.940 12.13450 5.200 3655 5.250 23.814004 13.100 14200 13.200 12.33087 5.340 3420 5.380 0-2078 -2.950 -2636 -2.940 4.2353 -0.125 412 -0.101 82205 2.440 2528 2.470 123469 5.130 4077 5.180 167321 7.830 7850 7.890 2010212 10.500 11025 10.600 23.814328 13.100 14876 13.200 19.89163 10.400 9800 10.500 165958 7.830 5978 7.890 12.11921 5.200 2019 5.250 81519 2.440 1656 2.470 4-794 -0.260 -1029 -0.237 0-1921 -2.950 -2332 -2.940 -3.00E+07-2.50E+07-2.00E+07-1.50E+07-1.00E+07-5.00E+060.00E+00-40000-30000-20000-100000傳感器輸出值(N)主材應(yīng)力理論計(jì)算值(Pa)圖9 主材1應(yīng)力值與傳感器輸出值關(guān)系曲線(xiàn)圖Fig.9 main material 1 stress -sensor output value -3.00E+07-2.50E+07-2.00E+07-1.50E+07-1.00E+07-5.00E+060.00E+00-30000-25000-20000-15000-10000-5000傳感器輸出值(N)主材應(yīng)力理論計(jì)算值(Pa)圖10主材2應(yīng)力值與傳感器輸出值關(guān)系曲線(xiàn)圖Fig.10 main material 2 stress -sensor output value-4.00E+06-2.00E+060.00E+002.00E+064.00E+066.00E+068.00E+061.00E+071.20E+071.40E+071.60E+07-500005000100001500020000傳感器輸出值(N)主材應(yīng)力理論計(jì)算值(Pa)圖11主材3應(yīng)力值與傳感器輸出值關(guān)系曲線(xiàn)圖Fig.11 main material 3 stress -sensor output value-4.00E+06-2.00E+060.00E+002.00E+064.00E+066.00E+068.00E+061.00E+071.20E+071.40E+071.60E+07-500005000100001500020000傳感器輸出值(N)主材應(yīng)力理論計(jì)算值(Pa)圖12主材4應(yīng)力值與傳感器輸出值關(guān)系曲線(xiàn)圖Fig.12 main material 4 stress -sensor output value應(yīng)力值與傳感器輸出值之間的一元線(xiàn)性回歸方程為： y= 1096.8x+ 5E+06 （15） y= 1131.1x+ 8E+06 （16） y= 814.23x+ 617284 （17） y= 793.12x+ 630061 （18）在圖8中1、2位置處傳感器處于施加外荷載的一側(cè)因而此兩處的傳感器一直是受壓的，而3、4位置處傳感器則隨著外荷載的增大受力狀態(tài)表現(xiàn)為由壓到拉，當(dāng)外荷載等于傳感器上部鐵塔自重時(shí)，此時(shí)傳感器受力為零。由圖9、圖10和圖11、圖12有明顯的不同，后兩圖數(shù)據(jù)擬合曲線(xiàn)通過(guò)零點(diǎn)。由相應(yīng)的關(guān)系式知，此種布置傳感器受壓與受拉得出的關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)基本一致，但之間存在一定的誤差，有必要進(jìn)行進(jìn)一步的誤差分析。室內(nèi)主材試件試驗(yàn)中，受拉時(shí)主材應(yīng)力與傳感器輸出值的相關(guān)系數(shù)大于受壓時(shí)的相關(guān)系數(shù)；真塔試驗(yàn)中,受拉時(shí)主材應(yīng)力與傳感器輸出值的相關(guān)系數(shù)小于受壓時(shí)的相關(guān)系數(shù)。這是由于室外試驗(yàn)時(shí)，1、2號(hào)主材受壓，兩段主材之間由于間隔只有1cm，致使受壓后相互抵消部分應(yīng)力，使傳感器輸出的數(shù)值較小，從而相關(guān)系數(shù)偏大。4 結(jié)論(1）傳感器受壓時(shí)與所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力的線(xiàn)性相關(guān)性比受拉時(shí)要好，上述室內(nèi)外試驗(yàn)得到的受拉與受壓的相關(guān)系數(shù)平均值的比值為1.0869:1。(2）真塔試驗(yàn)中主材應(yīng)力與傳感器輸出值的相關(guān)系數(shù)最小為受拉時(shí)793.12，最大為受壓時(shí)1131.1，在一定范圍內(nèi)變化。(3）在實(shí)際運(yùn)用中，需要觀測(cè)鐵塔在正常運(yùn)行狀態(tài)下的傳感器數(shù)值以確定鐵塔主材應(yīng)力值的變化范圍，以此來(lái)作為判斷鐵塔處于不安全狀態(tài)的依據(jù)。(4）利用本試驗(yàn)成果可以在輸電鐵塔的主材變截面處安裝類(lèi)似定制的傳感器，再設(shè)計(jì)配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，遠(yuǎn)程的實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵塔主材應(yīng)力值變化情況的監(jiān)控。參考文獻(xiàn)：1 馬維青. 輸電線(xiàn)路鐵塔傾斜智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究. 山西電力,2008 (5) :22225.MA Weiqing. 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China Datang Group Science and Technolo