輸電鐵塔應變及傾斜監測研究

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.北京城建遠東建設投資集團有限公司，北京 102200）

0 引言

在我國東南沿海地區臺風登陸頻繁，常常會造成大面積的結構倒塌，致使人民的生命財產安全受到威脅［1-2］。輸電鐵塔具有塔體高和柔性強等特點，是一種風敏感性結構，更加容易在臺風等極端條件下發生倒塌性破壞。國內外學者已開展了臺風時期輸電鐵塔有關的試驗研究和理論分析。試驗研究主要有臺風實測［3］、輸電鐵塔的風振響應特點［4-5］、覆冰線路結構的風振響應、縮尺模型風洞試驗，同時也有研究者對輸電線路結構進行了一些現場動力測試研究，但由于現場測試條件所限，已有的現場測試大多是對輸電塔結構的動力特性進行研究；理論研究主要運用有限元方法對輸電塔進行理論分析。

但對輸電鐵塔力學性能長期的實時監測并不多。輸電鐵塔倒塌是由于結構本身受力狀態超出了設計值，故建立長期實時的輸電鐵塔力學性能監測很有必要。本文針對輸電塔長期實時監測獲得的應變及傾斜數據進行分析研究。

1 試驗概況

1.1 輸電鐵塔概況

本次試驗選用的輸電鐵塔創建于 20 世紀末，位于福建省 220kV 某回線路上的 ZM31-24 貓頭型直線塔。該塔結構形式為格構式鋼塔，塔高為 30 m，呼高為 24 m，鋼材規格為 16 Mn，主要受力構件為角鋼，采用螺栓連接。所選試驗輸電鐵塔結構立面圖及實景如圖 1 所示。

圖1 試驗輸電鐵塔結構平面圖及實景

1.2 力學狀態監測系統概述

為獲取輸電鐵塔在臺風作用下力學性能參數，于塔身布置 36 個振弦式應變計（帶溫度計），于塔頂布置 1 個雙軸傾角計，配備 40 通道數據自動采集設備，采用數據等間隔采集、無線傳輸機制，太陽能獨立供電系統，是可通過 WEB 界面和手機 APP 界面實時查看數據的長期實時監測系統。傳感器布置如圖 2 所示。數據采集設備如圖 3 所示。太陽能獨立供電系統如圖 4 所示。

1.3 監測背景

2017 年 7 月—2018 年 12 月，對該試驗塔的力學性能進行了為期約一年半的監測。整個監測周期中，試驗塔所在地區于 2018 年 7 月 11 日遭受臺風“瑪莉亞”的影響。該臺風發展過程：2018 年 7 月 4 日 20 時，第 8 號臺風“瑪莉亞”在美國關島以東洋面生成；7 月 4 日 21 時，中央氣象臺將其升格為熱帶風暴；7 月 5 日 14 時，升格為臺風；7 月 6 日 2 時，升格為強臺風；同日 5 時，升格為超強臺風；7 月 8 日臺風強度達到最大，隨后對流逐漸衰弱，強度逐漸降低；7 月 11 日，臺風“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，登陸后強度迅速減弱，并未造成嚴重損失。圖 5 為臺風“瑪莉亞”行進的路線。

圖2 傳感器布置

圖3 40 通道數據采集設備

圖4 太陽能供電子系統現場實景圖

圖5 臺風“瑪莉亞”行進路線

本文選取 2018 年 1 月—3 月常規氣候條件下的試驗塔力學性能數據和 2018 年 7 月 7 日—2018 年 7 月 17 日臺風氣候條件下的試驗塔力學性能數據進行分析研究。

2 應變監測數據分析

應變計安裝于既有輸電鐵塔構件表面，即安裝前輸電鐵塔構件已承受由于自身重力產生的應變，故安裝的應變計所監測的應變主要是由于溫度梯度作用及風荷載等外界作用引起的。

2.1 常規氣候條件下應變監測數據分析

2018 年 1 月—2018 年 3 月期間，試驗塔所處地區氣候條件較為穩定，選取典型應變時程曲線如圖 6 所示，塔身溫度時程曲線如圖 7 所示。在常規氣候條件下-日內各監測點應變波動幅度極大值統計表如表 1 所示。常規氣候條件下應變波動幅度極大值對應當日溫差統計表如表 2 所示。

表1 在常規氣候條件下一日內各監測點應變波動幅度極大值統計表

表2 常規氣候條件下應變波動幅度極大值對應當日溫差統計表

圖6 2018.1—2018.3 典型測點應變時程曲線

圖7 2018.1—2018.3 塔身溫度時程曲線

圖8 2018.7.7—2018.7.17典型應變時程曲線

由圖 6 和圖 7 可得，應變時程曲線與溫度時程曲線有一定的相似之處，兩者均呈現出以一天為周期的規律性波動。

除應變計和溫度計存在故障的測點外，經統計，應變變化實測幅值的平均值約為溫度梯度作用下應變理論變化幅值平均值的 96 %，二者基本一致。表明在常規氣候條件下，溫度梯度作用是輸電鐵塔鋼構件應變變化的主要原因。

2.2 臺風氣候條件下應變監測數據分析

2018 年 7 月 11 日臺風“瑪莉亞”抵達試驗塔所在地區，選取 2018 年 7 月 7 日—2018 年 7 月 17 日臺風抵達前后典型應變時程曲線如圖 8 所示，塔身溫度時程曲線如圖 9 所示。臺風“瑪莉亞”抵達試驗塔地區當日監測點應變波動幅度統計表如表 3 所示。

表3 臺風“瑪莉亞”抵擋試驗塔地區當日監測點應變波動幅度統計表

圖9 2018.7.7—2018.7.17 塔身溫度時程曲線

由圖 8 和圖 9 可得，臺風“瑪莉亞”抵達試驗塔地區當日，塔身溫度變化小，而各測點應變監測數據波動大，監測獲得的應變值波動絕大部分是由于臺風作用引起的。

由表 3 得知，臺風“瑪莉亞”抵達試驗塔所在地區時由于強度減弱，對試驗塔造成的影響并不是很大，最大應變幅值為 248.11 με，各構件仍處于彈性階段。

試驗塔在本次臺風中，主材應變值一般大于斜材應變值；試驗塔底部及剛度突變處應變幅值較大。

3 傾斜監測數據分析

傾角計安裝于試驗塔頂端，從宏觀的角度去監測結構的整體變形。

3.1 常規氣候條件下傾斜監測數據分析

2018 年 1 月—2018 年 3 月期間，試驗塔所處地區氣候條件較為穩定，塔頂傾角時程曲線如圖 10 所示。

圖10 常規氣候下塔頂傾角時程曲線

由圖 10 可得，垂直于導線方向傾角計數據穩定，沿導線方向傾角計數據在 0.01°（0.01°為該傾角計分辨率）范圍波動。綜合分析，在 2018 年 1 月— 2018 年 3 月期間，傾角計在沿導線和垂直于導線兩個方向傾角結果穩定。

3.2 臺風氣候條件下傾斜監測數據分析

2018 年 7 月 7 日—2018 年 7 月 17 日期間，試驗塔經歷臺風“瑪莉亞”影響，塔頂傾角時程曲線如圖 11 所示。

圖11 受臺風影響的塔頂傾角時程曲線

由于臺風路經試驗塔所在地區時強度已較弱，塔頂傾角在 0.02°范圍內波動。與應變監測結果相比，塔頂傾角監測結果較不敏感。

4 結語

2017 年 7 月—2018 年 12 月，對該試驗塔的力學性能進行了為期約一年半的監測。整個監測周期中，試驗塔所在地區于 2018 年 7 月 11 日遭受臺風“瑪莉亞”的影響，其余時間氣候條件較為穩定。選取在常規氣候條件及臺風氣候條件下試驗塔的力學性能監測結果進行分析，主要結論如下。

1）在常規氣候條件下，應變變化實測幅值的平均值約為溫度梯度作用下應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件應變變化的主要原因。

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

3）在常規氣候條件下，傾角計在沿導線和垂直于導線兩個方向傾角結果穩定。

4）在臺風“瑪莉亞”氣候條件下，塔頂傾角在 0.02°范圍內波動。與應變監測結果相比，傾角監測結果較不敏感。