輸電鐵塔應(yīng)變及傾斜監(jiān)測研究

劉 洋，劉 樺，李志偉，撖利平，王艷平，姜思佳

（1.中國建筑科學(xué)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.北京城建遠(yuǎn)東建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，北京 102200）

0 引言

在我國東南沿海地區(qū)臺(tái)風(fēng)登陸頻繁，常常會(huì)造成大面積的結(jié)構(gòu)倒塌，致使人民的生命財(cái)產(chǎn)安全受到威脅［1-2］。輸電鐵塔具有塔體高和柔性強(qiáng)等特點(diǎn)，是一種風(fēng)敏感性結(jié)構(gòu)，更加容易在臺(tái)風(fēng)等極端條件下發(fā)生倒塌性破壞。國內(nèi)外學(xué)者已開展了臺(tái)風(fēng)時(shí)期輸電鐵塔有關(guān)的試驗(yàn)研究和理論分析。試驗(yàn)研究主要有臺(tái)風(fēng)實(shí)測［3］、輸電鐵塔的風(fēng)振響應(yīng)特點(diǎn)［4-5］、覆冰線路結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)、縮尺模型風(fēng)洞試驗(yàn)，同時(shí)也有研究者對輸電線路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一些現(xiàn)場動(dòng)力測試研究，但由于現(xiàn)場測試條件所限，已有的現(xiàn)場測試大多是對輸電塔結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行研究；理論研究主要運(yùn)用有限元方法對輸電塔進(jìn)行理論分析。

但對輸電鐵塔力學(xué)性能長期的實(shí)時(shí)監(jiān)測并不多。輸電鐵塔倒塌是由于結(jié)構(gòu)本身受力狀態(tài)超出了設(shè)計(jì)值，故建立長期實(shí)時(shí)的輸電鐵塔力學(xué)性能監(jiān)測很有必要。本文針對輸電塔長期實(shí)時(shí)監(jiān)測獲得的應(yīng)變及傾斜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 輸電鐵塔概況

本次試驗(yàn)選用的輸電鐵塔創(chuàng)建于 20 世紀(jì)末，位于福建省 220kV 某回線路上的 ZM31-24 貓頭型直線塔。該塔結(jié)構(gòu)形式為格構(gòu)式鋼塔，塔高為 30 m，呼高為 24 m，鋼材規(guī)格為 16 Mn，主要受力構(gòu)件為角鋼，采用螺栓連接。所選試驗(yàn)輸電鐵塔結(jié)構(gòu)立面圖及實(shí)景如圖 1 所示。

圖1 試驗(yàn)輸電鐵塔結(jié)構(gòu)平面圖及實(shí)景

1.2 力學(xué)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)概述

為獲取輸電鐵塔在臺(tái)風(fēng)作用下力學(xué)性能參數(shù)，于塔身布置 36 個(gè)振弦式應(yīng)變計(jì)（帶溫度計(jì)），于塔頂布置 1 個(gè)雙軸傾角計(jì)，配備 40 通道數(shù)據(jù)自動(dòng)采集設(shè)備，采用數(shù)據(jù)等間隔采集、無線傳輸機(jī)制，太陽能獨(dú)立供電系統(tǒng)，是可通過 WEB 界面和手機(jī) APP 界面實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)的長期實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。傳感器布置如圖 2 所示。數(shù)據(jù)采集設(shè)備如圖 3 所示。太陽能獨(dú)立供電系統(tǒng)如圖 4 所示。

1.3 監(jiān)測背景

2017 年 7 月—2018 年 12 月，對該試驗(yàn)塔的力學(xué)性能進(jìn)行了為期約一年半的監(jiān)測。整個(gè)監(jiān)測周期中，試驗(yàn)塔所在地區(qū)于 2018 年 7 月 11 日遭受臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”的影響。該臺(tái)風(fēng)發(fā)展過程：2018 年 7 月 4 日 20 時(shí)，第 8 號臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”在美國關(guān)島以東洋面生成；7 月 4 日 21 時(shí)，中央氣象臺(tái)將其升格為熱帶風(fēng)暴；7 月 5 日 14 時(shí)，升格為臺(tái)風(fēng)；7 月 6 日 2 時(shí)，升格為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)；同日 5 時(shí)，升格為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)；7 月 8 日臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到最大，隨后對流逐漸衰弱，強(qiáng)度逐漸降低；7 月 11 日，臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”于我國福建省連江縣黃岐半島登陸，所幸由于其他氣候因素影響，登陸后強(qiáng)度迅速減弱，并未造成嚴(yán)重?fù)p失。圖 5 為臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”行進(jìn)的路線。

圖2 傳感器布置

圖3 40 通道數(shù)據(jù)采集設(shè)備

圖4 太陽能供電子系統(tǒng)現(xiàn)場實(shí)景圖

圖5 臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”行進(jìn)路線

本文選取 2018 年 1 月—3 月常規(guī)氣候條件下的試驗(yàn)塔力學(xué)性能數(shù)據(jù)和 2018 年 7 月 7 日—2018 年 7 月 17 日臺(tái)風(fēng)氣候條件下的試驗(yàn)塔力學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。

2 應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

應(yīng)變計(jì)安裝于既有輸電鐵塔構(gòu)件表面，即安裝前輸電鐵塔構(gòu)件已承受由于自身重力產(chǎn)生的應(yīng)變，故安裝的應(yīng)變計(jì)所監(jiān)測的應(yīng)變主要是由于溫度梯度作用及風(fēng)荷載等外界作用引起的。

2.1 常規(guī)氣候條件下應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2018 年 1 月—2018 年 3 月期間，試驗(yàn)塔所處地區(qū)氣候條件較為穩(wěn)定，選取典型應(yīng)變時(shí)程曲線如圖 6 所示，塔身溫度時(shí)程曲線如圖 7 所示。在常規(guī)氣候條件下-日內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)變波動(dòng)幅度極大值統(tǒng)計(jì)表如表 1 所示。常規(guī)氣候條件下應(yīng)變波動(dòng)幅度極大值對應(yīng)當(dāng)日溫差統(tǒng)計(jì)表如表 2 所示。

表1 在常規(guī)氣候條件下一日內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)變波動(dòng)幅度極大值統(tǒng)計(jì)表

表2 常規(guī)氣候條件下應(yīng)變波動(dòng)幅度極大值對應(yīng)當(dāng)日溫差統(tǒng)計(jì)表

圖6 2018.1—2018.3 典型測點(diǎn)應(yīng)變時(shí)程曲線

圖7 2018.1—2018.3 塔身溫度時(shí)程曲線

圖8 2018.7.7—2018.7.17典型應(yīng)變時(shí)程曲線

由圖 6 和圖 7 可得，應(yīng)變時(shí)程曲線與溫度時(shí)程曲線有一定的相似之處，兩者均呈現(xiàn)出以一天為周期的規(guī)律性波動(dòng)。

除應(yīng)變計(jì)和溫度計(jì)存在故障的測點(diǎn)外，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，應(yīng)變變化實(shí)測幅值的平均值約為溫度梯度作用下應(yīng)變理論變化幅值平均值的 96 %，二者基本一致。表明在常規(guī)氣候條件下，溫度梯度作用是輸電鐵塔鋼構(gòu)件應(yīng)變變化的主要原因。

2.2 臺(tái)風(fēng)氣候條件下應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2018 年 7 月 11 日臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”抵達(dá)試驗(yàn)塔所在地區(qū)，選取 2018 年 7 月 7 日—2018 年 7 月 17 日臺(tái)風(fēng)抵達(dá)前后典型應(yīng)變時(shí)程曲線如圖 8 所示，塔身溫度時(shí)程曲線如圖 9 所示。臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”抵達(dá)試驗(yàn)塔地區(qū)當(dāng)日監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)變波動(dòng)幅度統(tǒng)計(jì)表如表 3 所示。

表3 臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”抵擋試驗(yàn)塔地區(qū)當(dāng)日監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)變波動(dòng)幅度統(tǒng)計(jì)表

圖9 2018.7.7—2018.7.17 塔身溫度時(shí)程曲線

由圖 8 和圖 9 可得，臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”抵達(dá)試驗(yàn)塔地區(qū)當(dāng)日，塔身溫度變化小，而各測點(diǎn)應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)波動(dòng)大，監(jiān)測獲得的應(yīng)變值波動(dòng)絕大部分是由于臺(tái)風(fēng)作用引起的。

由表 3 得知，臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”抵達(dá)試驗(yàn)塔所在地區(qū)時(shí)由于強(qiáng)度減弱，對試驗(yàn)塔造成的影響并不是很大，最大應(yīng)變幅值為 248.11 με，各構(gòu)件仍處于彈性階段。

試驗(yàn)塔在本次臺(tái)風(fēng)中，主材應(yīng)變值一般大于斜材應(yīng)變值；試驗(yàn)塔底部及剛度突變處應(yīng)變幅值較大。

3 傾斜監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

傾角計(jì)安裝于試驗(yàn)塔頂端，從宏觀的角度去監(jiān)測結(jié)構(gòu)的整體變形。

3.1 常規(guī)氣候條件下傾斜監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2018 年 1 月—2018 年 3 月期間，試驗(yàn)塔所處地區(qū)氣候條件較為穩(wěn)定，塔頂傾角時(shí)程曲線如圖 10 所示。

圖10 常規(guī)氣候下塔頂傾角時(shí)程曲線

由圖 10 可得，垂直于導(dǎo)線方向傾角計(jì)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，沿導(dǎo)線方向傾角計(jì)數(shù)據(jù)在 0.01°（0.01°為該傾角計(jì)分辨率）范圍波動(dòng)。綜合分析，在 2018 年 1 月— 2018 年 3 月期間，傾角計(jì)在沿導(dǎo)線和垂直于導(dǎo)線兩個(gè)方向傾角結(jié)果穩(wěn)定。

3.2 臺(tái)風(fēng)氣候條件下傾斜監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2018 年 7 月 7 日—2018 年 7 月 17 日期間，試驗(yàn)塔經(jīng)歷臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”影響，塔頂傾角時(shí)程曲線如圖 11 所示。

圖11 受臺(tái)風(fēng)影響的塔頂傾角時(shí)程曲線

由于臺(tái)風(fēng)路經(jīng)試驗(yàn)塔所在地區(qū)時(shí)強(qiáng)度已較弱，塔頂傾角在 0.02°范圍內(nèi)波動(dòng)。與應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果相比，塔頂傾角監(jiān)測結(jié)果較不敏感。

4 結(jié)語

2017 年 7 月—2018 年 12 月，對該試驗(yàn)塔的力學(xué)性能進(jìn)行了為期約一年半的監(jiān)測。整個(gè)監(jiān)測周期中，試驗(yàn)塔所在地區(qū)于 2018 年 7 月 11 日遭受臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”的影響，其余時(shí)間氣候條件較為穩(wěn)定。選取在常規(guī)氣候條件及臺(tái)風(fēng)氣候條件下試驗(yàn)塔的力學(xué)性能監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下。

1）在常規(guī)氣候條件下，應(yīng)變變化實(shí)測幅值的平均值約為溫度梯度作用下應(yīng)變理論變化幅值平均值的96 %，二者基本一致，溫度梯度作用為輸電鐵塔鋼構(gòu)件應(yīng)變變化的主要原因。

2）在臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”氣候條件下，試驗(yàn)塔應(yīng)變變化最大幅值為 248.11 με，各構(gòu)件仍處于彈性階段；主材應(yīng)變值一般大于斜材應(yīng)變值；試驗(yàn)塔底部及剛度突變處應(yīng)變幅值較大。

3）在常規(guī)氣候條件下，傾角計(jì)在沿導(dǎo)線和垂直于導(dǎo)線兩個(gè)方向傾角結(jié)果穩(wěn)定。

4）在臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”氣候條件下，塔頂傾角在 0.02°范圍內(nèi)波動(dòng)。與應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果相比，傾角監(jiān)測結(jié)果較不敏感。