甘鳳林，王德賀，付 豪

(東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林吉林132012)

0 引言

在中國(guó)中西部地區(qū)，尤其是湖北、山西地區(qū)，經(jīng)常會(huì)由于采空區(qū)的存在出現(xiàn)輸電鐵塔基礎(chǔ)不均勻沉降或是鐵塔整體傾斜從而導(dǎo)致倒塔事故的發(fā)生［1］，因此，為了解決這些問(wèn)題，近期湖北省電力公司與東北電力大學(xué)進(jìn)行了合作，開(kāi)展了鐵塔早期傾斜預(yù)警的試驗(yàn)研究。

1 鐵塔早期傾斜預(yù)警的試驗(yàn)方法

在試驗(yàn)中，通過(guò)定制的應(yīng)變式傳感器來(lái)表達(dá)鐵塔主材內(nèi)力的變化值。通過(guò)傳輸出來(lái)的數(shù)據(jù)來(lái)確定鐵塔主材受力是否達(dá)到臨界的傾倒?fàn)顟B(tài);通過(guò)遠(yuǎn)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(yù)防措施提供依據(jù)。

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。理論直線(xiàn)法，是以傳感器的理論特性為擬合直線(xiàn)，它與實(shí)際測(cè)試值無(wú)關(guān)，優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單方便，但是通常誤差很大，因此很少使用此種方法。而端點(diǎn)直線(xiàn)法和最小二乘法如圖1、圖2示，通過(guò)比較知，理論直線(xiàn)法和端點(diǎn)直線(xiàn)法雖然使用簡(jiǎn)單，但△m都很大，擬合精度不高，而最小二乘直線(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［2］。本文采用最小二乘法對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行直線(xiàn)擬合，方程式為

2 桿件拉力試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)WAWE0000)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(試驗(yàn)前標(biāo)定);試驗(yàn)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(hào)為10.73985(基材130 ×16，40Cr，熱處理，渡 Cr，輸出值單位為 kG)各1個(gè);扭矩扳手(可控制扭矩大小)1只，其它扳手若干。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按照?qǐng)D3所示結(jié)構(gòu)，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(kāi)1 cm，主材兩端部焊接相同材質(zhì)的鋼板，并焊接15 cm長(zhǎng)、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(yàn)圖

在正式對(duì)試驗(yàn)做記錄前，先做幾組試驗(yàn)，待經(jīng)過(guò)幾次試驗(yàn)后，確保試驗(yàn)機(jī)、電腦正常運(yùn)行，試驗(yàn)人員操作正確;確保各部位正常后，對(duì)螺栓重新緊固達(dá)到150 N·m的要求，開(kāi)始進(jìn)行正式試驗(yàn)并記錄。每次進(jìn)行三組試驗(yàn)后對(duì)螺栓重新緊固［3－4］。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)分析

對(duì)5T量程傳感器試驗(yàn)，加載初值為0，每次增加值為8 kN，等速率負(fù)荷控制5 kN/s，保持時(shí)間40 s。三組試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值，如圖4所示。

圖4 三組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值

通過(guò)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(guān)系)方程為y=23.43x－3 234.6。

為驗(yàn)證數(shù)據(jù)的可靠性，對(duì)5T量程的傳感器連接X(jué)L2118CX應(yīng)變綜合參數(shù)測(cè)試儀，加載初值為0，每次增加值為5 kN，等速率負(fù)荷控制5 kN/s，保持時(shí)間40 s，測(cè)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(duì)2T量程傳感器試驗(yàn)情況如下:加載初值為0，每次增加值為10 kN，等速率負(fù)荷控制5 kN/s，保持時(shí)間40 s，測(cè)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(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

與拉力試驗(yàn)相同。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按照?qǐng)D7所示結(jié)構(gòu)，組裝試件，其過(guò)程與拉力試驗(yàn)相同。

圖7 壓力試驗(yàn)圖

3.3 試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)分析

荷重傳感器JLET－D－2T編號(hào)為10.739 5的試驗(yàn)，加載初值為0，每次增加值為8 kN，等速率負(fù)荷控制5 kN/s，保持時(shí)間40 s，最大加載值為80 kN，三次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值如圖8所示。

圖8 三次試驗(yàn)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(hào)為10.739 8的試驗(yàn)，加載初值為0，每次增加值為8 kN，等速率負(fù)荷控制5 kN/s，保持時(shí)間40 s，最大加載值為80 kN，三次試驗(yàn)如圖9所示。

圖9 三次試驗(yàn)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(yàn)證數(shù)據(jù)的可靠性，對(duì)荷重傳感器JLETD－2T編號(hào)為10.739 5直接進(jìn)行壓力試驗(yàn)，加載初值為0，每次增加值為 2 kN，等速率負(fù)荷控制5 kN/s，保持時(shí)間40 s，最大加載值為20 kN，試驗(yàn)如圖10，測(cè)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(yàn)及理論分析

4.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用東北電力大學(xué)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中心SJD－90°終端轉(zhuǎn)角塔為試驗(yàn)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(gè)(包括配套顯示表)，編號(hào)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(gè)，10 t 30 m長(zhǎng)鋼絲繩1條，轉(zhuǎn)向定滑輪4個(gè)，鋼絲繩套若干。

4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)前對(duì)整塔進(jìn)行緊固，試驗(yàn)組裝如圖12所示。在圖12中1，2，3，4位置分別對(duì)應(yīng)安裝JLET－D－2T－10.7396，JLET－D －10.7395，JLET－D－2T－10.7398，JLET－D －2T－10.7397。試驗(yàn)外力由手拉葫蘆加載，通過(guò)拉力傳感器顯示加載值。先做幾組試驗(yàn)，以確保各連接部位有效運(yùn)行，確保試驗(yàn)人員操作正確。

4.3 試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)分析

圖12 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)塔布置圖

由人工控制加載值及加載速率，要求加載過(guò)程平穩(wěn)，每只傳感器顯示表數(shù)據(jù)由兩人負(fù)責(zé)記錄及監(jiān)督，每次加載值保持時(shí)間為40 s，記錄每只表對(duì)應(yīng)加載值的三次試驗(yàn)數(shù)據(jù)［5］。

通過(guò)ANSYS軟件對(duì)試驗(yàn)塔進(jìn)行建模，如圖13所示。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軸力理論計(jì)算值。

圖13 ANSYS模型圖

以桿件軸力理論計(jì)算值為X軸，以試驗(yàn)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(guò)數(shù)據(jù)分析由最小二乘直線(xiàn)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(guò)數(shù)據(jù)分析由最小二乘直線(xiàn)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(guò)數(shù)據(jù)分析由最小二乘直線(xiàn)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(guò)數(shù)據(jù)分析由最小二乘直線(xiàn)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(jié)論

1)由圖4、圖5和圖中6曲線(xiàn)的走勢(shì)，可以得出:從傳感器測(cè)得的受拉數(shù)據(jù)是可靠的，且受拉時(shí)傳感器所受荷載與輸出值有關(guān)系，與傳感器本身量程關(guān)系不大。

2)由圖11可知，傳感器受壓時(shí)所受荷載與輸出值是呈正相關(guān)的，說(shuō)明所用的傳感器受壓時(shí)輸出值是可靠的。

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

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

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(kāi)始由于自重受壓，后來(lái)由于外荷載的施加開(kāi)始受拉)處的不同編號(hào)的傳感器與所受荷載具有正相關(guān)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(jié)束語(yǔ)

由于輸電線(xiàn)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(xiàn)人員的日常檢查很難及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)鐵塔發(fā)生傾斜故障。因此利用本試驗(yàn)成果可以在輸電鐵塔的主材處安裝定制的傳感器，再設(shè)計(jì)合理有效的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，遠(yuǎn)程的實(shí)現(xiàn)對(duì)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(xiǎn)工況的輸電鐵塔，采取有效措施保證輸電線(xiàn)路的正常運(yùn)行，避免事故的發(fā)生。

［1］袁廣林，楊庚宇，張?jiān)骑w．地表變形對(duì)輸電鐵塔內(nèi)力和變形的影響規(guī)律［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2009，34(8):1043 －1047．

［2］陳淑銘，喬田田．一個(gè)求解非線(xiàn)性最小二乘問(wèn)題的新方法［J］．煙臺(tái)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，17(1):14 －22．

［3］中華人民共和國(guó)水利部土木試驗(yàn)操作規(guī)程［Z］，2007．

［4］趙熙元．建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)(下冊(cè))［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1995．

［5］中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)，DL/T 899－2004．架空線(xiàn)路桿塔結(jié)構(gòu)荷載試驗(yàn)［S］．北京:中國(guó)電力出版社，2004．