傳感器在預警鐵塔不均勻沉降應用中的試驗分析

甘鳳林，王德賀，付 豪

(東北電力大學建筑工程學院，吉林吉林132012)

0 引言

在中國中西部地區，尤其是湖北、山西地區，經常會由于采空區的存在出現輸電鐵塔基礎不均勻沉降或是鐵塔整體傾斜從而導致倒塔事故的發生［1］，因此，為了解決這些問題，近期湖北省電力公司與東北電力大學進行了合作，開展了鐵塔早期傾斜預警的試驗研究。

1 鐵塔早期傾斜預警的試驗方法

在試驗中，通過定制的應變式傳感器來表達鐵塔主材內力的變化值。通過傳輸出來的數據來確定鐵塔主材受力是否達到臨界的傾倒狀態;通過遠端數據采集系統提供能反映鐵塔內力變化的可靠數據，為采取有效的預防措施提供依據。

目前最常用的擬合直線計算方法有理論直線法，端點直線法和最小二乘直線法。理論直線法，是以傳感器的理論特性為擬合直線，它與實際測試值無關，優點是簡單方便，但是通常誤差很大，因此很少使用此種方法。而端點直線法和最小二乘法如圖1、圖2示，通過比較知，理論直線法和端點直線法雖然使用簡單，但△m都很大，擬合精度不高，而最小二乘直線法雖不能保證△m為最小，但它的擬合精度最高，可以保證在滿量程范圍內的總體誤差為最小，盡量減小使用時的測量誤差，這也是處理實驗數據最為常用的直線擬合方法［2］。本文采用最小二乘法對結果數據進行直線擬合，方程式為

2 桿件拉力試驗

2.1 試驗設備

微機控制電液伺服萬能試驗機(型號WAWE0000)及數據采集系統(試驗前標定);試驗主材(∠125×10)16Mn角鋼兩段;內包角鋼 16Mn(∠L125×10)，定制荷重傳感器 JLET－D－5T(受壓量程5T受拉量程2T)、定制荷重傳感器JLET－D－2T(受壓受拉量程均為2T)編號為10.73985(基材130 ×16，40Cr，熱處理，渡 Cr，輸出值單位為 kG)各1個;扭矩扳手(可控制扭矩大小)1只，其它扳手若干。

2.2 試驗設計

按照圖3所示結構，組裝試件，包角鋼在內，兩段主材在中間(主材靠螺栓連接，兩片主材斷開1 cm，主材兩端部焊接相同材質的鋼板，并焊接15 cm長、直徑為25 mm的連接桿)，傳感器在外的順序組裝，螺栓扭矩控制在150 N·m。

圖3 拉伸試驗圖

在正式對試驗做記錄前，先做幾組試驗，待經過幾次試驗后，確保試驗機、電腦正常運行，試驗人員操作正確;確保各部位正常后，對螺栓重新緊固達到150 N·m的要求，開始進行正式試驗并記錄。每次進行三組試驗后對螺栓重新緊固［3－4］。

2.3 試驗過程及數據分析

對5T量程傳感器試驗，加載初值為0，每次增加值為8 kN，等速率負荷控制5 kN/s，保持時間40 s。三組試驗數據取平均值，如圖4所示。

圖4 三組試驗數據的平均值

通過數據分析由最小二乘法得出傳感器輸出值與所受荷載的回歸方程為y=0.041 9x+157.74，反函數(即荷載與傳感器輸出值關系)方程為y=23.43x－3 234.6。

為驗證數據的可靠性，對5T量程的傳感器連接XL2118CX應變綜合參數測試儀，加載初值為0，每次增加值為5 kN，等速率負荷控制5 kN/s，保持時間40 s，測得二組數據如圖5所示。

圖5 二組數據

回歸方程為y=5.154x+24.024。

對2T量程傳感器試驗情況如下:加載初值為0，每次增加值為10 kN，等速率負荷控制5 kN/s，保持時間40 s，測得三組數據如圖6所示。

圖6 三組數據

回歸方程為y=0.043 3x－28.091，反函數方程為y=22.999x+733.06。

3 桿件壓力試驗

3.1 試驗設備

與拉力試驗相同。

3.2 試驗設計

按照圖7所示結構，組裝試件，其過程與拉力試驗相同。

圖7 壓力試驗圖

3.3 試驗過程及數據分析

荷重傳感器JLET－D－2T編號為10.739 5的試驗，加載初值為0，每次增加值為8 kN，等速率負荷控制5 kN/s，保持時間40 s，最大加載值為80 kN，三次試驗數據的平均值如圖8所示。

圖8 三次試驗數據的平均值

傳感器輸出值的回歸方程為y=0.046 9x－1.636 4，反函數方程為y=21.322x+49.451。

荷重傳感器JLET－D－2T編號為10.739 8的試驗，加載初值為0，每次增加值為8 kN，等速率負荷控制5 kN/s，保持時間40 s，最大加載值為80 kN，三次試驗如圖9所示。

圖9 三次試驗數據的平均值

傳感器輸出值的回歸方程為y=0.046 9x－1.848 5，反函數方程為y=21.324x+54.175。

為驗證數據的可靠性，對荷重傳感器JLETD－2T編號為10.739 5直接進行壓力試驗，加載初值為0，每次增加值為 2 kN，等速率負荷控制5 kN/s，保持時間40 s，最大加載值為20 kN，試驗如圖10，測得二組數據如圖11所示。

傳感器輸出值的回歸方程為y=0.096 4x+26.227。

4 室外真塔傾斜試驗及理論分析

4.1 試驗設備

本試驗采用東北電力大學實驗運行中心SJD－90°終端轉角塔為試驗塔，該塔呼高17 m，全高26.5 m，塔身主材為16Mn∠125×10。荷重傳感器4個(包括配套顯示表)，編號分別為:JLET－D－2T－10.7395，JLET－D －10.7396，JLET－D －2T－10.7397，JLET－D －2T－10.7398，拉力傳感器 1只，10 t手拉葫蘆1個，10 t 30 m長鋼絲繩1條，轉向定滑輪4個，鋼絲繩套若干。

4.2 試驗設計

在試驗前對整塔進行緊固，試驗組裝如圖12所示。在圖12中1，2，3，4位置分別對應安裝JLET－D－2T－10.7396，JLET－D －10.7395，JLET－D－2T－10.7398，JLET－D －2T－10.7397。試驗外力由手拉葫蘆加載，通過拉力傳感器顯示加載值。先做幾組試驗，以確保各連接部位有效運行，確保試驗人員操作正確。

4.3 試驗過程及數據分析

圖12 現場試驗塔布置圖

由人工控制加載值及加載速率，要求加載過程平穩，每只傳感器顯示表數據由兩人負責記錄及監督，每次加載值保持時間為40 s，記錄每只表對應加載值的三次試驗數據［5］。

通過ANSYS軟件對試驗塔進行建模，如圖13所示。按照試驗方案及試驗加載值對模型進行加載，得到安裝傳感器位置處的桿件軸力理論計算值。

圖13 ANSYS模型圖

以桿件軸力理論計算值為X軸，以試驗值為Y軸，得到不同桿件處4只傳感器的數據如圖14－圖17所示。

圖14 傳感器1的輸出數據

通過數據分析由最小二乘直線法得回歸方程為y=0.045x－43.909，反函數方程為y=20.073x+2 122.3。

圖15 傳感器2的輸出數據

通過數據分析由最小二乘直線法得回歸方程為y=0.033 8x－786.28，反函數方程為y=28.194x+20 464。

圖16 傳感器3的輸出數據

通過數據分析由最小二乘直線法得回歸方程為y=0.035 1x－568.53，反函數方程為y=27.421x+14 264。

圖17 傳感器4的輸出數據

通過數據分析由最小二乘直線法得回歸方程為y=0.0469x－49.67，反函數方程為 y=19.463x+2 075.9。

5 結論

1)由圖4、圖5和圖中6曲線的走勢，可以得出:從傳感器測得的受拉數據是可靠的，且受拉時傳感器所受荷載與輸出值有關系，與傳感器本身量程關系不大。

2)由圖11可知，傳感器受壓時所受荷載與輸出值是呈正相關的，說明所用的傳感器受壓時輸出值是可靠的。

3)由圖4、圖6、圖8、圖9可知，受壓時，傳感器所受的荷載與輸出值正相關性較受拉時為好。

4)由圖8、圖9可知，相同制作工藝不同編號的傳感器所受的荷載與輸出值的相關系數差別不大，并在一定范圍內波動。

5)由圖14、圖15、圖16、圖17可知，處于不同位置(1、2位置處傳感器受壓;3、4位置處傳感器剛開始由于自重受壓，后來由于外荷載的施加開始受拉)處的不同編號的傳感器與所受荷載具有正相關性，得到的回歸方程略有不同，但是在一定范圍內變化。

6 結束語

由于輸電線路鐵塔數量大，鐵塔腳沉降的因數多，范圍也比較廣，單靠輸電巡線人員的日常檢查很難及時、準確地發現鐵塔發生傾斜故障。因此利用本試驗成果可以在輸電鐵塔的主材處安裝定制的傳感器，再設計合理有效的數據采集系統，遠程的實現對鐵塔主材內力值變化情況的監控，及早發現處于危險工況的輸電鐵塔，采取有效措施保證輸電線路的正常運行，避免事故的發生。

［1］袁廣林，楊庚宇，張云飛．地表變形對輸電鐵塔內力和變形的影響規律［J］．煤炭學報，2009，34(8):1043 －1047．

［2］陳淑銘，喬田田．一個求解非線性最小二乘問題的新方法［J］．煙臺大學學報，2004，17(1):14 －22．

［3］中華人民共和國水利部土木試驗操作規程［Z］，2007．

［4］趙熙元．建筑鋼結構設計手冊(下冊)［M］．北京:冶金工業出版社，1995．

［5］中華人民共和國國家發展和改革委員會，DL/T 899－2004．架空線路桿塔結構荷載試驗［S］．北京:中國電力出版社，2004．