传感器在预警铁塔不均匀沉降应用中的试验分析

甘凤林，王德贺，付 豪

(东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林132012)

0 引言

在中国中西部地区，尤其是湖北、山西地区，经常会由于采空区的存在出现输电铁塔基础不均匀沉降或是铁塔整体倾斜从而导致倒塔事故的发生［1］，因此，为了解决这些问题，近期湖北省电力公司与东北电力大学进行了合作，开展了铁塔早期倾斜预警的试验研究。

1 铁塔早期倾斜预警的试验方法

在试验中，通过定制的应变式传感器来表达铁塔主材内力的变化值。通过传输出来的数据来确定铁塔主材受力是否达到临界的倾倒状态;通过远端数据采集系统提供能反映铁塔内力变化的可靠数据，为采取有效的预防措施提供依据。

目前最常用的拟合直线计算方法有理论直线法，端点直线法和最小二乘直线法。理论直线法，是以传感器的理论特性为拟合直线，它与实际测试值无关，优点是简单方便，但是通常误差很大，因此很少使用此种方法。而端点直线法和最小二乘法如图1、图2示，通过比较知，理论直线法和端点直线法虽然使用简单，但△m都很大，拟合精度不高，而最小二乘直线法虽不能保证△m为最小，但它的拟合精度最高，可以保证在满量程范围内的总体误差为最小，尽量减小使用时的测量误差，这也是处理实验数据最为常用的直线拟合方法［2］。本文采用最小二乘法对结果数据进行直线拟合，方程式为

2 杆件拉力试验

2.1 试验设备

微机控制电液伺服万能试验机(型号WAWE0000)及数据采集系统(试验前标定);试验主材(∠125×10)16Mn角钢两段;内包角钢 16Mn(∠L125×10)，定制荷重传感器 JLET－D－5T(受压量程5T受拉量程2T)、定制荷重传感器JLET－D－2T(受压受拉量程均为2T)编号为10.73985(基材130 ×16，40Cr，热处理，渡 Cr，输出值单位为 kG)各1个;扭矩扳手(可控制扭矩大小)1只，其它扳手若干。

2.2 试验设计

按照图3所示结构，组装试件，包角钢在内，两段主材在中间(主材靠螺栓连接，两片主材断开1 cm，主材两端部焊接相同材质的钢板，并焊接15 cm长、直径为25 mm的连接杆)，传感器在外的顺序组装，螺栓扭矩控制在150 N·m。

图3 拉伸试验图

在正式对试验做记录前，先做几组试验，待经过几次试验后，确保试验机、电脑正常运行，试验人员操作正确;确保各部位正常后，对螺栓重新紧固达到150 N·m的要求，开始进行正式试验并记录。每次进行三组试验后对螺栓重新紧固［3－4］。

2.3 试验过程及数据分析

对5T量程传感器试验，加载初值为0，每次增加值为8 kN，等速率负荷控制5 kN/s，保持时间40 s。三组试验数据取平均值，如图4所示。

图4 三组试验数据的平均值

通过数据分析由最小二乘法得出传感器输出值与所受荷载的回归方程为y=0.041 9x+157.74，反函数(即荷载与传感器输出值关系)方程为y=23.43x－3 234.6。

为验证数据的可靠性，对5T量程的传感器连接XL2118CX应变综合参数测试仪，加载初值为0，每次增加值为5 kN，等速率负荷控制5 kN/s，保持时间40 s，测得二组数据如图5所示。

图5 二组数据

回归方程为y=5.154x+24.024。

对2T量程传感器试验情况如下:加载初值为0，每次增加值为10 kN，等速率负荷控制5 kN/s，保持时间40 s，测得三组数据如图6所示。

图6 三组数据

回归方程为y=0.043 3x－28.091，反函数方程为y=22.999x+733.06。

3 杆件压力试验

3.1 试验设备

与拉力试验相同。

3.2 试验设计

按照图7所示结构，组装试件，其过程与拉力试验相同。

图7 压力试验图

3.3 试验过程及数据分析

荷重传感器JLET－D－2T编号为10.739 5的试验，加载初值为0，每次增加值为8 kN，等速率负荷控制5 kN/s，保持时间40 s，最大加载值为80 kN，三次试验数据的平均值如图8所示。

图8 三次试验数据的平均值

传感器输出值的回归方程为y=0.046 9x－1.636 4，反函数方程为y=21.322x+49.451。

荷重传感器JLET－D－2T编号为10.739 8的试验，加载初值为0，每次增加值为8 kN，等速率负荷控制5 kN/s，保持时间40 s，最大加载值为80 kN，三次试验如图9所示。

图9 三次试验数据的平均值

传感器输出值的回归方程为y=0.046 9x－1.848 5，反函数方程为y=21.324x+54.175。

为验证数据的可靠性，对荷重传感器JLETD－2T编号为10.739 5直接进行压力试验，加载初值为0，每次增加值为 2 kN，等速率负荷控制5 kN/s，保持时间40 s，最大加载值为20 kN，试验如图10，测得二组数据如图11所示。

传感器输出值的回归方程为y=0.096 4x+26.227。

4 室外真塔倾斜试验及理论分析

4.1 试验设备

本试验采用东北电力大学实验运行中心SJD－90°终端转角塔为试验塔，该塔呼高17 m，全高26.5 m，塔身主材为16Mn∠125×10。荷重传感器4个(包括配套显示表)，编号分别为:JLET－D－2T－10.7395，JLET－D －10.7396，JLET－D －2T－10.7397，JLET－D －2T－10.7398，拉力传感器 1只，10 t手拉葫芦1个，10 t 30 m长钢丝绳1条，转向定滑轮4个，钢丝绳套若干。

4.2 试验设计

在试验前对整塔进行紧固，试验组装如图12所示。在图12中1，2，3，4位置分别对应安装JLET－D－2T－10.7396，JLET－D －10.7395，JLET－D－2T－10.7398，JLET－D －2T－10.7397。试验外力由手拉葫芦加载，通过拉力传感器显示加载值。先做几组试验，以确保各连接部位有效运行，确保试验人员操作正确。

4.3 试验过程及数据分析

图12 现场试验塔布置图

由人工控制加载值及加载速率，要求加载过程平稳，每只传感器显示表数据由两人负责记录及监督，每次加载值保持时间为40 s，记录每只表对应加载值的三次试验数据［5］。

通过ANSYS软件对试验塔进行建模，如图13所示。按照试验方案及试验加载值对模型进行加载，得到安装传感器位置处的杆件轴力理论计算值。

图13 ANSYS模型图

以杆件轴力理论计算值为X轴，以试验值为Y轴，得到不同杆件处4只传感器的数据如图14－图17所示。

图14 传感器1的输出数据

通过数据分析由最小二乘直线法得回归方程为y=0.045x－43.909，反函数方程为y=20.073x+2 122.3。

图15 传感器2的输出数据

通过数据分析由最小二乘直线法得回归方程为y=0.033 8x－786.28，反函数方程为y=28.194x+20 464。

图16 传感器3的输出数据

通过数据分析由最小二乘直线法得回归方程为y=0.035 1x－568.53，反函数方程为y=27.421x+14 264。

图17 传感器4的输出数据

通过数据分析由最小二乘直线法得回归方程为y=0.0469x－49.67，反函数方程为 y=19.463x+2 075.9。

5 结论

1)由图4、图5和图中6曲线的走势，可以得出:从传感器测得的受拉数据是可靠的，且受拉时传感器所受荷载与输出值有关系，与传感器本身量程关系不大。

2)由图11可知，传感器受压时所受荷载与输出值是呈正相关的，说明所用的传感器受压时输出值是可靠的。

3)由图4、图6、图8、图9可知，受压时，传感器所受的荷载与输出值正相关性较受拉时为好。

4)由图8、图9可知，相同制作工艺不同编号的传感器所受的荷载与输出值的相关系数差别不大，并在一定范围内波动。

5)由图14、图15、图16、图17可知，处于不同位置(1、2位置处传感器受压;3、4位置处传感器刚开始由于自重受压，后来由于外荷载的施加开始受拉)处的不同编号的传感器与所受荷载具有正相关性，得到的回归方程略有不同，但是在一定范围内变化。

6 结束语

由于输电线路铁塔数量大，铁塔脚沉降的因数多，范围也比较广，单靠输电巡线人员的日常检查很难及时、准确地发现铁塔发生倾斜故障。因此利用本试验成果可以在输电铁塔的主材处安装定制的传感器，再设计合理有效的数据采集系统，远程的实现对铁塔主材内力值变化情况的监控，及早发现处于危险工况的输电铁塔，采取有效措施保证输电线路的正常运行，避免事故的发生。

［1］袁广林，杨庚宇，张云飞．地表变形对输电铁塔内力和变形的影响规律［J］．煤炭学报，2009，34(8):1043 －1047．

［2］陈淑铭，乔田田．一个求解非线性最小二乘问题的新方法［J］．烟台大学学报，2004，17(1):14 －22．

［3］中华人民共和国水利部土木试验操作规程［Z］，2007．

［4］赵熙元．建筑钢结构设计手册(下册)［M］．北京:冶金工业出版社，1995．

［5］中华人民共和国国家发展和改革委员会，DL/T 899－2004．架空线路杆塔结构荷载试验［S］．北京:中国电力出版社，2004．