基于應變監(jiān)測數(shù)據(jù)的輸電桿塔疲勞壽命預測

初金良，陳揚哲，高 磊，朱飛飛

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司麗水供電公司，浙江 麗水 323000；2.國網(wǎng)浙江松陽縣供電有限公司，浙江 麗水 323000）

0 引言

高壓輸電塔是主要的電力輸送結(jié)構(gòu)，在整個服役期間都處在惡劣的自然環(huán)境中，長期受到環(huán)境的腐蝕作用和高頻率的風致作用，材料和力學性能逐漸退化，如果不進行及時檢測和維護，可能出現(xiàn)嚴重破壞甚至倒塌[1]。國內(nèi)外大量輸電塔倒塌事故的調(diào)查研究表明，倒塌破壞大多是由性能退化和風致效應耦合作用引起桿件出現(xiàn)裂紋、超過極限強度或者發(fā)生疲勞損傷造成的[2-3]。因此，在輸電塔結(jié)構(gòu)上布置應力應變傳感器，采用實時監(jiān)測方法實現(xiàn)桿件的疲勞損傷性能評估和剩余壽命預測具有重要的理論和工程意義。近年來，國內(nèi)外學者對于輸電塔的疲勞破壞和疲勞壽命預測展開了大量研究。Havard 等[4]對多個服役多年的輸電塔進行研究，發(fā)現(xiàn)風荷載致使輸電塔上出現(xiàn)了疲勞裂紋，進一步分析得到風荷載和導線運動是疲勞裂紋產(chǎn)生的主要原因。張春濤等[5]基于風振疲勞時域和頻域計算方法，提出了輸電塔線體系風振疲勞的算法，并且通過工程實例對不同風場條件下某輸電塔線的風振疲勞進行了詳細分析。張卓群等[6]以海寧—喬司Ⅱ回路輸電線路上的某500 kV 輸電塔為研究對象，通過計算輸電塔在不同風荷載作用下的受力情況，依據(jù)鋼材的S-N 曲線、鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范以及Miner 線性疲勞累積損傷準則，提出了一種新的輸電塔疲勞壽命分析方法，并通過有限元仿真分析驗證了該方法預測輸電塔結(jié)構(gòu)疲勞壽命的準確性。白海峰等[7]利用Davenport 譜對風荷載進行模擬，分析輸電塔關(guān)鍵桿件的應力響應，采用雨流法、結(jié)合雨流計數(shù)法、Miner 累積損傷準則以及系統(tǒng)可靠度理論，計算了輸電塔的疲勞壽命及可靠度。孫彤等[8]以某500 kV 輸電塔結(jié)構(gòu)為研究對象，通過模擬風荷載時程，計算輸電塔結(jié)構(gòu)最危險桿件，對桿件應力采用雨流計數(shù)法來模擬應力時程，結(jié)合損傷容限理論和斷裂力學理論，提出了計算輸電塔疲勞壽命的方法，結(jié)果表明輸電塔結(jié)構(gòu)桿件的疲勞破壞對于輸電塔整體壽命有重要影響。Repetto 等[9]對風荷載作用下細長垂直結(jié)構(gòu)的風振疲勞進行了一系列研究，采用考慮概率分布的方法確定了應力循環(huán)的柱狀圖，得到結(jié)構(gòu)的累積損傷和疲勞壽命。陳文燦等[10]開發(fā)了輸電桿塔塔腳腐蝕現(xiàn)場實時監(jiān)測系統(tǒng)并進行了實際應用。

以上研究主要是結(jié)合某一實際輸電塔，采用有限元建模來模擬風荷載，進而研究輸電塔桿件的疲勞破壞和剩余壽命。然而，對真實的輸電塔結(jié)構(gòu)進行桿件和整體的實時應力應變監(jiān)測研究較少，相關(guān)的疲勞壽命預測方法也有待驗證和改進。鑒于此，本文采用現(xiàn)場輸電塔實際應變監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展輸電塔典型桿件疲勞損傷性能評估和剩余壽命預測的研究，為輸電塔桿件的疲勞破壞研究提供改進方法和技術(shù)支撐。

1 試驗概況

本文以浙江省麗水市某220 kV 直線塔為研究對象，塔高44 m，呼高28 m，輸電塔桿件為Q345L 型角鋼，桿件之間均采用螺栓連接。通過研究輸電塔有限元模擬的應力應變云圖以及真實輸電塔倒塌事故中桿件破壞位置，總結(jié)了輸電塔在風致作用下整體受力以及應力應變的分布情況。結(jié)合具體輸電塔實際情況，在該輸電塔上安裝了一套具有數(shù)據(jù)無線傳輸功能的結(jié)構(gòu)應變監(jiān)測系統(tǒng)。傳感器具體布置方案如下：沿輸電塔4 m，16 m，28 m，31 m，34 m 和40 m 高度處的主材、支撐斜材和橫擔上布置了共20 個振弦式應變計。輸電塔振弦式應變計布置如圖1 所示，不同高度振弦式應變計分布如表1 所示。

圖1 輸電塔振弦式應變計布置

表1 不同高度振弦式應變計分布

本研究重點監(jiān)測了輸電塔塔腿處（4 m）、1/3高度處（16 m）以及第一個橫擔處（28 m）的應力應變情況。塔腿位置的振弦式應變計與輸電塔桿件采用點焊的連接方式，其他部位的振弦式應變計與輸電塔桿件均采用云石膠連接。振弦式應變計精度為F.s±0.1%，量程為1 500 με，能夠暴露在自然環(huán)境下正常工作。現(xiàn)場振弦式應變計安裝如圖2 所示。振弦式應變計通過信號線與定制的應變采集儀連接，考慮到輸電塔結(jié)構(gòu)大都位于較偏遠的地帶，現(xiàn)場存取實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)十分不便，本研究應用數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取與存儲。

圖2 現(xiàn)場振弦式應變計安裝

將應變采集儀接入無線傳輸系統(tǒng)，無線傳輸系統(tǒng)包括高速通用采集模塊和DTU（數(shù)據(jù)傳輸單元）網(wǎng)絡傳輸模塊。高速通用采集模塊是一種自動搜索、自動巡檢的信息采集設備，可以同時接入多個振弦式應變計。DTU 網(wǎng)絡傳輸模塊是一種利用網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程傳輸信號的網(wǎng)絡傳輸設備，將其與高速通用采集模塊連接，可以將傳感器數(shù)據(jù)傳輸至云平臺。相關(guān)的無線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，實際數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖4 所示。

圖3 無線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在云平臺上可以實時查看振弦式應變計監(jiān)測數(shù)據(jù)情況，實現(xiàn)所有監(jiān)測數(shù)據(jù)的保存?zhèn)浞?、調(diào)用查看和下載，還可以根據(jù)不同的天氣狀況和氣候條件在后臺遠程修改對應的振弦式應變計采集頻率和應變變化閾值，實現(xiàn)預警功能。采集儀和無線傳輸系統(tǒng)均由獨立安裝的太陽能供電系統(tǒng)提供能源。正常監(jiān)測期間振弦式應變計的采集頻率為0.1 Hz。

2 輸電塔典型通道應變監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取

在完成所有振弦式應變計的安裝和云平臺的調(diào)試后，對已采集的典型通道應變數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，可以得到輸電塔關(guān)鍵受力桿件的應變時程。由于極端氣候（如低溫或臺風）下的應變數(shù)據(jù)需要專門處理，在進行基本疲勞壽命預測時主要考慮正常條件下的數(shù)據(jù)。鑒于2020 年8 月的監(jiān)測數(shù)據(jù)最為完整且無極端天氣的影響，選取該時間段數(shù)據(jù)進行分析，得到4 m 高（塔腿）斜材桿件、4 m 高（塔腿）主材桿件、16 m 高（1/3 高度）主材桿件、16 m 高（1/3 高度）斜材桿件、28 m 高（橫擔）主材桿件、40 m 高（塔頭）主材桿件的應變時程曲線，如圖5 所示。在風荷載及其他環(huán)境因素的作用下，包括桿件應變在內(nèi)的結(jié)構(gòu)動力響應與風荷載幅值有密切關(guān)系，但也具有明顯的隨機性和非平穩(wěn)性。其中主材的應變變化比較劇烈，需要進行重點監(jiān)測?？梢圆捎瞄撝殿A警、比對分析、統(tǒng)計分析等方法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行基本處理，但同時也需要利用時域和頻域的疲勞計算方法進行桿件和結(jié)構(gòu)的疲勞性能和剩余壽命分析。

圖5 輸電塔關(guān)鍵受力桿件的應變時程曲線

3 基于雨流計數(shù)法的整體壽命分析

為了計算輸電塔的疲勞應力，需要確定輸電桿塔的初始應力。可以通過有限元分析對該桿塔在重力荷載和風荷載作用下的初始變形進行數(shù)值模擬仿真計算，最終為基于雨流計數(shù)法的輸電塔整體壽命分析提供基本依據(jù)。本文選用ANSYS 有限元軟件建立輸電塔模型，采用Link180 單元模擬輸電塔桿件斜支撐，采用Beam188 單元模擬輸電塔桿件主材，桿件截面均采用L 型鋼，塔腿邊界條件由豎向、橫向和縱向約束體系構(gòu)成，3 個方向均采用固定支座邊界條件進行模擬。輸電塔整體的有限元模型如圖1 所示。通過有限元分析得到4 m 高（塔腿）主材桿件、16 m 高（1/3 高度）主材桿件、28 m 高（橫擔）主材桿件、40 m 高（塔頭）主材桿件的初始應力分別為36 MPa，35.5 MPa，35.3 MPa 和35.2 MPa。

采用雨流計數(shù)法計算關(guān)鍵桿件的疲勞壽命，其基本原理如圖6 所示。將荷載時間坐標軸定為向下，假定應力時程類似雨流，從內(nèi)側(cè)往下流，基于流動情況對各應力幅進行整理，根據(jù)雨流跡線確定荷載循環(huán)。按正、負斜率取出所有的半循環(huán)，提取每個半循環(huán)的起點和終點，以每次雨流的水平長度作為該循環(huán)的幅值，并根據(jù)幅值得到不同幅值區(qū)間內(nèi)的頻次，形成雨流計數(shù)法均幅矩陣載荷譜。

圖6 雨流計數(shù)法原理

根據(jù)載荷譜中應力幅值、應力均值與對應頻次的關(guān)系，可采用基于連續(xù)損傷動力學的疲勞損傷模型[11]來計算結(jié)構(gòu)的等效應力幅：

式中：Δσef為等效應力幅；ni為應力幅Δσi的循環(huán)次數(shù)；NT為循環(huán)總次數(shù)；σmi為第i 次循環(huán)的平均應力；β 為材料參數(shù)，與材料和應力比有關(guān)。

結(jié)構(gòu)的等效應力Δσ 為：

式中：Δσ 為結(jié)構(gòu)的等效應力；Δσ0為結(jié)構(gòu)的初始應力。

等效應力下的循環(huán)次數(shù)N 為[12]：

根據(jù)等效循環(huán)次數(shù)n 反推對應N 的使用年限LA：

得到剩余壽命為：

式中：L 為結(jié)構(gòu)剩余壽命；LS為結(jié)構(gòu)目前的服役年數(shù)。

4 整體結(jié)構(gòu)的加權(quán)損傷和壽命計算

在對輸電塔典型部位構(gòu)件進行壽命計算后，考慮輸電塔不同部位的受力情況以及重要程度，通過專家經(jīng)驗評估法和層次分析法確定4 m 高（塔腿）部位、16 m 高（1/3 高度）部位、28 m 高（橫擔）部位、40 m 高（塔頭）部位不同的權(quán)重系數(shù)，分別取為0.4，0.3，0.2，0.1。計算輸電塔整體的剩余壽命：

式中：LF為輸電塔結(jié)構(gòu)整體剩余壽命；L1，L2，L3，L4分別為4 m 高（塔腿）部位、16 m高（1/3 高度）部位、28 m 高（橫擔）部位、40 m 高（塔頭）部位桿件的剩余壽命。經(jīng)過校核，相關(guān)權(quán)重系數(shù)適當波動后并不影響結(jié)果的合理性。

在實際輸電塔工程中，可通過振弦式應變計采集自然環(huán)境荷載作用下輸電塔結(jié)構(gòu)典型部位的應變時程數(shù)據(jù)，通過鋼材的彈性模量將桿件的應變時程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為應力時程數(shù)據(jù)，應用雨流計數(shù)法可以得到關(guān)鍵桿件的有效應力幅和等效循環(huán)次數(shù)，根據(jù)有限元數(shù)值模擬方法獲得考慮重力及輸電線影響的輸電塔不同部位的初始應力，計算出輸電塔的整體剩余壽命。圖7 為應用雨流計數(shù)法得到的不同關(guān)鍵桿件部位的雨流計數(shù)矩陣圖。

圖7 輸電塔典型部位桿件的雨流計數(shù)矩陣圖

通過雨流計數(shù)法計算得到4 m高（塔腿）部位、16 m 高（1/3 高度）部位、28 m高（橫擔）部位、40 m 高（塔頭）部位桿件的有效應力幅分別為3.575 8 MPa，3.604 0 MPa，3.313 2 MPa 及3.591 3 MPa，對應的桿件剩余壽命分別為95.98 年、98.98年、102.20 年、101.02 年。最終，根據(jù)式（6）得到輸電塔整體剩余壽命為98.67 年。

從計算結(jié)果中可以看出：輸電塔在自然環(huán)境風致作用下，其整體疲勞壽命符合設計預期和工程需求，但4 m 高（塔腿）部位、16 m 高（1/3 高度）部位的剩余壽命相對較短，因此，應該多關(guān)注環(huán)境因素下塔腿部位的損傷疲勞破壞。

5 結(jié)語

針對目前輸電桿塔的實測應變較少而無法實現(xiàn)疲勞壽命預測的不足，本文以某真型塔為監(jiān)測對象，獲取實測應變數(shù)據(jù)。利用雨流計數(shù)法和基于連續(xù)損傷動力學的疲勞損傷模型理論，計算輸電塔典型桿件的疲勞壽命，考慮到輸電塔在正常使用環(huán)境下的不同受力狀態(tài)以及重要程度，給定不同部位桿件的壽命計算權(quán)重系數(shù)，進而得到輸電塔整體結(jié)構(gòu)的剩余壽命。結(jié)果表明：在正常使用環(huán)境下輸電塔應力較小，其應力幅在安全范圍之內(nèi)，且整體剩余壽命符合工程要求。此外，在對輸電塔進行應力應變健康監(jiān)測以及疲勞破壞分析時，要重點關(guān)注輸電塔塔腿部位，對其進行長期監(jiān)測具有重要意義。關(guān)于極端條件下的輸電桿塔壽命預測需要結(jié)合相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)另行研究。