引張線式水平位移計(jì)誤差分析和觀測(cè)方式研究

李召陽 劉暉 傅羅真

摘要：針對(duì)國(guó)內(nèi)引張線式水平位移計(jì)一般采用的加卸載測(cè)量方式，和國(guó)外常采用的“常配重”測(cè)量方式之間存在的區(qū)別，文章從原材料特性、測(cè)量方式、摩擦力影響等方面分析了誤差來源、誤差影響程度以及不確定性，引入誤差修正和減小誤差的方法。結(jié)合某工程長(zhǎng)期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了常配重測(cè)量方式同樣可以取得準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在實(shí)際工程應(yīng)用中，可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體情況選擇合適的測(cè)量方式。

關(guān)鍵詞：引張線式水平位移計(jì)；誤差；長(zhǎng)期觀測(cè)；常配重測(cè)量

1 引言

引張線式水平位移計(jì)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于土石壩位移觀測(cè)。目前國(guó)內(nèi)工程多采用 “加載-卸載”的測(cè)量方式，不測(cè)量時(shí)銦鋼絲配重較測(cè)量時(shí)一般會(huì)減少50%。而國(guó)外認(rèn)為，銦鋼絲的徐變量非常小，“加載-卸載”的觀測(cè)方式?jīng)]有必要，長(zhǎng)期配重滿足測(cè)量要求即可，同時(shí)可以減少加卸載系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)造價(jià)。兩種不同意見的主要分歧在于對(duì)測(cè)量系統(tǒng)誤差來源及其影響程度的認(rèn)識(shí)不同，本文對(duì)該問題進(jìn)行總結(jié)分析，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提出作者的看法及建議。

2誤差來源及影響分析

2.1 材料特性。引張線式水平位移計(jì)通常選用不銹銦瓦鋼絲作為引張線材料，其材料本身的某些特性會(huì)給整個(gè)測(cè)量裝置帶來誤差。

2.1.2材料徐變特性。有國(guó)外權(quán)威機(jī)構(gòu)對(duì)直徑Ф2mm，長(zhǎng)度200m，長(zhǎng)期掛重100kg的不銹銦瓦鋼絲進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)5年的研究，得出以下結(jié)論：

1）銦鋼絲徐變量的大小與載荷成正比，且無荷載下限；

2）銦鋼絲的徐變變形隨時(shí)間呈對(duì)數(shù)函數(shù)形式變化。第1年徐變量最為顯著，徐變系數(shù)約為30×10-6，1年之后徐變量很小，徐變系數(shù)約為5×10-6。

直徑為Ф2mm，長(zhǎng)度200m的不銹銦瓦鋼絲，長(zhǎng)期配重100kg，第一年鋼絲徐變量6mm，第2年到第5年平均徐變量1mm。鋼絲位移計(jì)測(cè)量方式不論是否加卸載，銦鋼絲徐變均不可消除，但采用加卸載測(cè)量方式可以減少鋼絲徐變量帶來的誤差。

2.2 測(cè)量方式

2.2.1加卸載測(cè)量方式。加卸載測(cè)量方式是指系統(tǒng)測(cè)量過程中，將鋼絲配重增加到預(yù)設(shè)重量，測(cè)量完成后，卸去部分配重。通常情況下，測(cè)量完成后的鋼絲配重為測(cè)量時(shí)配重的50%。采用加卸載測(cè)量方式對(duì)鋼絲配重進(jìn)行加載卸載的過程，會(huì)使得鋼絲荷載發(fā)生周期性變化。不同測(cè)量過程中的重復(fù)加載、卸載是引起系統(tǒng)重復(fù)性誤差的主要原因。

文獻(xiàn)[2]中指出，直徑為Ф2mm，長(zhǎng)度200m，滿載重量100kg，卸載后荷載50kg的銦鋼絲，由“加載-卸載”過程帶來的重復(fù)性誤差約為2mm。

2.2.2常配重測(cè)量方式。常配重測(cè)量方式是指系統(tǒng)測(cè)量過程中，鋼絲配重保持預(yù)設(shè)重量不變。通常情況下，銦鋼絲配重80～100kg。由于鋼絲配重長(zhǎng)期保持較高的水平，鋼絲徐變量增加進(jìn)程相對(duì)較快，如前文所述，該測(cè)量方式不會(huì)因加卸載過程造成重復(fù)性誤差。

2.3 摩擦力和鋼絲重疊。摩擦力影響大小與線體張力分布有關(guān)，鋼絲重疊則會(huì)影響配重力矩的傳遞。根據(jù)引張線式鋼絲水平位移計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，鋼絲從錨固點(diǎn)位置開始，通過鋼絲保護(hù)管內(nèi)分線支撐機(jī)構(gòu)，連接至觀測(cè)房變徑導(dǎo)輪上，在鋼絲的移動(dòng)過程中，摩擦力主要來自鋼絲和分線支撐機(jī)構(gòu)之間以及鋼絲和變徑導(dǎo)輪之間。因此，摩擦力影響大小主要分析鋼絲張力分布對(duì)鋼絲沿線支撐機(jī)構(gòu)摩擦力的影響，以及鋼絲和變徑導(dǎo)輪間摩擦力對(duì)鋼絲張力分布的影響。同時(shí)考慮鋼絲重疊對(duì)力矩傳遞的影響，其主要來源于鋼絲在導(dǎo)輪上的纏繞重疊及掛重鋼絲在變徑導(dǎo)輪上的重疊。

2.3.1 摩擦力對(duì)鋼絲張力分布的影響。鋼絲和變徑導(dǎo)輪之間的摩擦力，會(huì)對(duì)鋼絲兩端張力分布產(chǎn)生影響，在鋼絲和導(dǎo)輪產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下，測(cè)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移或者加載過程中，當(dāng)測(cè)頭向觀測(cè)房方向移動(dòng)過程中，鋼絲張力因移動(dòng)方向不同而不同，且隨著鋼絲纏繞圈數(shù)的增加，這種影響也隨之增大。

2.3.2 張力分布對(duì)鋼絲沿線支撐摩擦力的影響。在考慮鋼絲自重以及摩擦力影響的前提下，其張力分布在鋼絲沿線是不均勻的，通常情況下，靠近施力端張力要大于遠(yuǎn)端。在鋼絲水平位移計(jì)系統(tǒng)中，鋼絲固定端存在不確定運(yùn)動(dòng)工況，在固定端往不同方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，其張力分布是變化的。

根據(jù)公式（2）（3）所示，鋼絲線體在張力作用下克服摩擦力，使得線體垂度降低，張力豎直方向分量影響鋼絲和支撐點(diǎn)之間的摩擦分布，且隨著張力的增大而增大，但支撐點(diǎn)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定的相對(duì)沉降，甚至產(chǎn)生水平方向的相對(duì)位移，使得鋼絲張力對(duì)摩擦力分布的影響無法準(zhǔn)確量化。但在通常情況下，適當(dāng)增大鋼絲張力，會(huì)減小系統(tǒng)測(cè)量的誤差，盡量減少配重鋼絲的重疊可提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。

2.4 誤差影響綜合分析。從上述分析來看，引張線式鋼絲水平位移計(jì)測(cè)量誤差主要來源為：鋼絲材料特性、測(cè)量方式、摩擦力以及和鋼絲張力間相互影響。從理論角度可分析幾種因素的獨(dú)立影響，但在實(shí)際應(yīng)用中，幾種因素對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)誤差的影響同時(shí)存在，影響程度難以精確計(jì)算。

引張線鋼絲因其材料的溫度特性，溫度引起的線體膨脹較小，但在溫差較大的季節(jié)和地區(qū)，可采用公式（1）進(jìn)行修正。

引張線鋼絲徐變產(chǎn)生的誤差是客觀存在的，可以通過預(yù)掛重的方式，使鋼絲快速完成較大徐變的過程，再用于工程應(yīng)用中，可有效減少徐變量帶來的誤差影響。

“加載-卸載”的測(cè)量方式帶來的重復(fù)性誤差通常情況下不可避免，且難以準(zhǔn)確量化，因此可改變測(cè)量方式來避免該誤差的出現(xiàn)。

理論上可對(duì)摩擦力和線體張力之間影響進(jìn)行分析計(jì)算，但實(shí)際應(yīng)用中，摩擦力帶來的線體應(yīng)力狀態(tài)的改變很難準(zhǔn)確計(jì)算，只能做定性分析，可以通過減小線體和支撐之間的摩擦系數(shù)來減小摩擦力帶來的影響。

一般情況下，配種鋼絲在導(dǎo)輪上疊加纏繞會(huì)增大了鋼絲間的摩擦，會(huì)對(duì)線體張力造成影響，應(yīng)最大限度的減少配重鋼絲的疊加纏繞。

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

以下數(shù)據(jù)來源于某工程各長(zhǎng)度銦鋼絲實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，時(shí)間跨度2014年1月到2017年8月，歷時(shí)3年半。采用常配重測(cè)量方式，設(shè)備安裝時(shí)間2013年7月，實(shí)際投運(yùn)時(shí)間2014年1月，銦鋼絲配重100kg半年后投入使用。實(shí)際監(jiān)測(cè)點(diǎn)共計(jì)40個(gè)，銦鋼絲長(zhǎng)度35m～220m，直徑φ2，支撐點(diǎn)間距6m，常配重100kg。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，引張線式鋼絲水平位移計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)和全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)誤差范圍0.4mm～0.5mm，以全站儀數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，可以認(rèn)為常配重測(cè)量方式得到的數(shù)據(jù)是比較準(zhǔn)確的。以下數(shù)據(jù)圖形為不同長(zhǎng)度鋼絲的隨機(jī)節(jié)選，其中測(cè)點(diǎn)09、10、11、14、21、29、35、40鋼絲長(zhǎng)度分別為：70m、220m、200m、130m、175m、150m、35m、50m。

4結(jié)束語

綜上所述，本文就引張線式鋼絲水平位移計(jì)系統(tǒng)得出如下結(jié)論和建議：

（1）溫度影響因素突出的季節(jié)和地區(qū)，可對(duì)線體膨脹影響進(jìn)行修正；（2）銦鋼絲徐變量小，時(shí)間跨度長(zhǎng)，對(duì)實(shí)際測(cè)值影響有限，可以采用預(yù)先配重預(yù)拉的方式來降低徐變量的影響程度；（3）配重鋼絲導(dǎo)輪上設(shè)置導(dǎo)槽，最大限度減少配重鋼絲的重疊；（4）引張線體和支撐點(diǎn)間的摩擦對(duì)測(cè)量系統(tǒng)有一定的影響，但難以精確計(jì)算，可采用減少支撐點(diǎn)和鋼絲間摩擦系數(shù)的方式減小誤差影響。 （5）通過工程實(shí)踐，常配重測(cè)量方式同樣可得到準(zhǔn)確可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在實(shí)際工程應(yīng)用中，可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體情況選擇合適的測(cè)量方式。

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（作者單位：南瑞集團(tuán)（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司1

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