输电铁塔应变及倾斜监测研究

刘 洋，刘 桦，李志伟，撖利平，王艳平，姜思佳

（1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2.北京市市政工程研究院，北京 100037；3.北京城建远东建设投资集团有限公司，北京 102200）

0 引言

在我国东南沿海地区台风登陆频繁，常常会造成大面积的结构倒塌，致使人民的生命财产安全受到威胁［1-2］。输电铁塔具有塔体高和柔性强等特点，是一种风敏感性结构，更加容易在台风等极端条件下发生倒塌性破坏。国内外学者已开展了台风时期输电铁塔有关的试验研究和理论分析。试验研究主要有台风实测［3］、输电铁塔的风振响应特点［4-5］、覆冰线路结构的风振响应、缩尺模型风洞试验，同时也有研究者对输电线路结构进行了一些现场动力测试研究，但由于现场测试条件所限，已有的现场测试大多是对输电塔结构的动力特性进行研究；理论研究主要运用有限元方法对输电塔进行理论分析。

但对输电铁塔力学性能长期的实时监测并不多。输电铁塔倒塌是由于结构本身受力状态超出了设计值，故建立长期实时的输电铁塔力学性能监测很有必要。本文针对输电塔长期实时监测获得的应变及倾斜数据进行分析研究。

1 试验概况

1.1 输电铁塔概况

本次试验选用的输电铁塔创建于 20 世纪末，位于福建省 220kV 某回线路上的 ZM31-24 猫头型直线塔。该塔结构形式为格构式钢塔，塔高为 30 m，呼高为 24 m，钢材规格为 16 Mn，主要受力构件为角钢，采用螺栓连接。所选试验输电铁塔结构立面图及实景如图 1 所示。

图1 试验输电铁塔结构平面图及实景

1.2 力学状态监测系统概述

为获取输电铁塔在台风作用下力学性能参数，于塔身布置 36 个振弦式应变计（带温度计），于塔顶布置 1 个双轴倾角计，配备 40 通道数据自动采集设备，采用数据等间隔采集、无线传输机制，太阳能独立供电系统，是可通过 WEB 界面和手机 APP 界面实时查看数据的长期实时监测系统。传感器布置如图 2 所示。数据采集设备如图 3 所示。太阳能独立供电系统如图 4 所示。

1.3 监测背景

2017 年 7 月—2018 年 12 月，对该试验塔的力学性能进行了为期约一年半的监测。整个监测周期中，试验塔所在地区于 2018 年 7 月 11 日遭受台风“玛莉亚”的影响。该台风发展过程：2018 年 7 月 4 日 20 时，第 8 号台风“玛莉亚”在美国关岛以东洋面生成；7 月 4 日 21 时，中央气象台将其升格为热带风暴；7 月 5 日 14 时，升格为台风；7 月 6 日 2 时，升格为强台风；同日 5 时，升格为超强台风；7 月 8 日台风强度达到最大，随后对流逐渐衰弱，强度逐渐降低；7 月 11 日，台风“玛莉亚”于我国福建省连江县黄岐半岛登陆，所幸由于其他气候因素影响，登陆后强度迅速减弱，并未造成严重损失。图 5 为台风“玛莉亚”行进的路线。

图2 传感器布置

图3 40 通道数据采集设备

图4 太阳能供电子系统现场实景图

图5 台风“玛莉亚”行进路线

本文选取 2018 年 1 月—3 月常规气候条件下的试验塔力学性能数据和 2018 年 7 月 7 日—2018 年 7 月 17 日台风气候条件下的试验塔力学性能数据进行分析研究。

2 应变监测数据分析

应变计安装于既有输电铁塔构件表面，即安装前输电铁塔构件已承受由于自身重力产生的应变，故安装的应变计所监测的应变主要是由于温度梯度作用及风荷载等外界作用引起的。

2.1 常规气候条件下应变监测数据分析

2018 年 1 月—2018 年 3 月期间，试验塔所处地区气候条件较为稳定，选取典型应变时程曲线如图 6 所示，塔身温度时程曲线如图 7 所示。在常规气候条件下-日内各监测点应变波动幅度极大值统计表如表 1 所示。常规气候条件下应变波动幅度极大值对应当日温差统计表如表 2 所示。

表1 在常规气候条件下一日内各监测点应变波动幅度极大值统计表

表2 常规气候条件下应变波动幅度极大值对应当日温差统计表

图6 2018.1—2018.3 典型测点应变时程曲线

图7 2018.1—2018.3 塔身温度时程曲线

图8 2018.7.7—2018.7.17典型应变时程曲线

由图 6 和图 7 可得，应变时程曲线与温度时程曲线有一定的相似之处，两者均呈现出以一天为周期的规律性波动。

除应变计和温度计存在故障的测点外，经统计，应变变化实测幅值的平均值约为温度梯度作用下应变理论变化幅值平均值的 96 %，二者基本一致。表明在常规气候条件下，温度梯度作用是输电铁塔钢构件应变变化的主要原因。

2.2 台风气候条件下应变监测数据分析

2018 年 7 月 11 日台风“玛莉亚”抵达试验塔所在地区，选取 2018 年 7 月 7 日—2018 年 7 月 17 日台风抵达前后典型应变时程曲线如图 8 所示，塔身温度时程曲线如图 9 所示。台风“玛莉亚”抵达试验塔地区当日监测点应变波动幅度统计表如表 3 所示。

表3 台风“玛莉亚”抵挡试验塔地区当日监测点应变波动幅度统计表

图9 2018.7.7—2018.7.17 塔身温度时程曲线

由图 8 和图 9 可得，台风“玛莉亚”抵达试验塔地区当日，塔身温度变化小，而各测点应变监测数据波动大，监测获得的应变值波动绝大部分是由于台风作用引起的。

由表 3 得知，台风“玛莉亚”抵达试验塔所在地区时由于强度减弱，对试验塔造成的影响并不是很大，最大应变幅值为 248.11 με，各构件仍处于弹性阶段。

试验塔在本次台风中，主材应变值一般大于斜材应变值；试验塔底部及刚度突变处应变幅值较大。

3 倾斜监测数据分析

倾角计安装于试验塔顶端，从宏观的角度去监测结构的整体变形。

3.1 常规气候条件下倾斜监测数据分析

2018 年 1 月—2018 年 3 月期间，试验塔所处地区气候条件较为稳定，塔顶倾角时程曲线如图 10 所示。

图10 常规气候下塔顶倾角时程曲线

由图 10 可得，垂直于导线方向倾角计数据稳定，沿导线方向倾角计数据在 0.01°（0.01°为该倾角计分辨率）范围波动。综合分析，在 2018 年 1 月— 2018 年 3 月期间，倾角计在沿导线和垂直于导线两个方向倾角结果稳定。

3.2 台风气候条件下倾斜监测数据分析

2018 年 7 月 7 日—2018 年 7 月 17 日期间，试验塔经历台风“玛莉亚”影响，塔顶倾角时程曲线如图 11 所示。

图11 受台风影响的塔顶倾角时程曲线

由于台风路经试验塔所在地区时强度已较弱，塔顶倾角在 0.02°范围内波动。与应变监测结果相比，塔顶倾角监测结果较不敏感。

4 结语

2017 年 7 月—2018 年 12 月，对该试验塔的力学性能进行了为期约一年半的监测。整个监测周期中，试验塔所在地区于 2018 年 7 月 11 日遭受台风“玛莉亚”的影响，其余时间气候条件较为稳定。选取在常规气候条件及台风气候条件下试验塔的力学性能监测结果进行分析，主要结论如下。

1）在常规气候条件下，应变变化实测幅值的平均值约为温度梯度作用下应变理论变化幅值平均值的96 %，二者基本一致，温度梯度作用为输电铁塔钢构件应变变化的主要原因。

2）在台风“玛莉亚”气候条件下，试验塔应变变化最大幅值为 248.11 με，各构件仍处于弹性阶段；主材应变值一般大于斜材应变值；试验塔底部及刚度突变处应变幅值较大。

3）在常规气候条件下，倾角计在沿导线和垂直于导线两个方向倾角结果稳定。

4）在台风“玛莉亚”气候条件下，塔顶倾角在 0.02°范围内波动。与应变监测结果相比，倾角监测结果较不敏感。