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(qū)，尤其是湖北、山西地區(qū)，經(jīng)常會由于采空區(qū)的存在出現(xiàn)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(fā)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(nèi)力的變化值。通過傳輸出來的數(shù)據(jù)來確定鐵塔主材受力是否達到臨界的傾倒狀態(tài);通過遠端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供能反映鐵塔內(nèi)力變化的可靠數(shù)據(jù)，為采取有效的預防措施提供依據(jù)。

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(yōu)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(nèi)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(試驗前標定);試驗主材(∠125×10)16Mn角鋼兩段;內(nèi)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(nèi)，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(zhì)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(jīng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)取平均值，如圖4所示。

圖4 三組試驗數(shù)據(jù)的平均值

通過數(shù)據(jù)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(shù)(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(shù)據(jù)的可靠性，對5T量程的傳感器連接XL2118CX應變綜合參數(shù)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(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 二組數(shù)據(jù)

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(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 三組數(shù)據(jù)

回歸方程為y=0.043 3x－28.091，反函數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的平均值如圖8所示。

圖8 三次試驗數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)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(shù)方程為y=21.324x+54.175。

為驗證數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)分析

圖12 現(xiàn)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(wěn)，每只傳感器顯示表數(shù)據(jù)由兩人負責記錄及監(jiān)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(shù)據(jù)［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(shù)據(jù)如圖14－圖17所示。

圖14 傳感器1的輸出數(shù)據(jù)

通過數(shù)據(jù)分析由最小二乘直線法得回歸方程為y=0.045x－43.909，反函數(shù)方程為y=20.073x+2 122.3。

圖15 傳感器2的輸出數(shù)據(jù)

通過數(shù)據(jù)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(shù)方程為y=28.194x+20 464。

圖16 傳感器3的輸出數(shù)據(jù)

通過數(shù)據(jù)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(shù)方程為y=27.421x+14 264。

圖17 傳感器4的輸出數(shù)據(jù)

通過數(shù)據(jù)分析由最小二乘直線法得回歸方程為y=0.0469x－49.67，反函數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)差別不大，并在一定范圍內(nèi)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(nèi)變化。

6 結束語

由于輸電線路鐵塔數(shù)量大，鐵塔腳沉降的因數(shù)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(fā)現(xiàn)鐵塔發(fā)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，遠程的實現(xiàn)對鐵塔主材內(nèi)力值變化情況的監(jiān)控，及早發(fā)現(xiàn)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(fā)生。

［1］袁廣林，楊庚宇，張云飛．地表變形對輸電鐵塔內(nèi)力和變形的影響規(guī)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(guī)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(yè)出版社，1995．

［5］中華人民共和國國家發(fā)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．