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1、传感器监测铁塔倾斜的理实对比分析王德贺1,甘凤林2（1.南方电网贵州电力职业技术学院，贵阳市 550000;1.中国大唐集团科学技术研究院，北京 100032）摘要：在输电线路中经常会由于外部工况的变化导致输电铁塔的塔腿失稳而导致倒塔事故的发生，而铁塔失稳必然会引起铁塔主材内力的变化，为了对此类原因导致的倒塔事故进行提早预测，本文提出利用安装在铁塔主材处类似包角钢形状的一种特制的应变式传感器来反映铁塔主材的受力状态，根据传感器的输出值来判断铁塔内力是否即将要达到失稳的临界状态，以此来达到对倒塔进行智能预警的目的，保证输电线路的正常安全运行。关键词：传感器；倒塔预警；塔腿失稳；试验研究引言在我国
2、中西部尤其是湖北、山西地区地表结构比较特殊，地表土体受采空区影响容易导致土体沉陷，土体的沉陷不易用肉眼观察。输电铁塔塔腿处地表土体下沉导致该塔腿处于悬空状态，在受强风等外界工况影响下，易导致倒塔断线等电力事故的发生1。为了避免由此种因素造成的倒塔事故，现提出一种新方案：由于塔腿悬空状态下，该塔腿的塔腿主材应力会发生规律性的变化，通过在塔腿处加装定制的应变式传感器，对塔腿主材应力进行监控，从而达到对塔腿土体沉陷的预警作用，避免了倒塔事故的发生。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2。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
3、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 3。本文就采用最小二乘法对结果数据进行直线拟合，方程式为：V=a0+K2P （1） 本次试验研究分室内试验和室外铁塔试验两部分。通过室内和室外两部分试验，得出主材应力值与传感器输出值之间的一元线性回归方程，并针对两部分试验得出的方程做对比分析，验证理论分析和试验验证的正确性。1 输电塔的非线性有限元建模理论1.1非线性描述方法的选择对于物体的非线性描述主要是UL和TL （Total Langrange）两种方法，不同之处在于TL法以t0时刻的构型为参照构型，而UL法则取t时刻的构型为参考构型。同时，TL法适用于“中
4、等程度转动”，而UL法在合适的加载步长下，即使对于大转动问题，也仍然能够得到非常精确的结果4。所以，本文采用UL法对结构进行非线性描述。1.2 基于材料非线性和几何非线性的双重非线性杆单元刚度矩阵的推导对于杆单元的几何非线性问题，文献5中已经推导出基于UL法的杆单元在t时的刚度矩阵，如下：式中：为线性刚度矩阵，为非线性几何刚度矩阵，为线弹性矩阵， 、分别为线性应变矩阵和非线性应变矩阵。文献6指出，对于双重非线性问题，几何非线性描述的单元增量平衡方程依然成立，只需要在刚度矩阵中用弹塑性矩阵代替线弹性矩阵，又因为弹塑性矩阵可以理解为弹性矩阵与塑性矩阵的叠加，即，则有式中： ，为塑性矩阵，为材料常数
5、，为塑性模量，所以，基于UL法的杆单元t时刻的双重非线性的刚度矩阵为：式中： 为线性刚度矩阵，为非线性几何刚度矩阵，为塑性矫正矩阵，其表达式如下 同理可得基于UL法的梁单元双重非线性的刚度矩阵的表达式，在此不予赘述。1.3 非线性有限元平衡方程的建立及求解根据UL描述法，在整体坐标系下的，从t时刻到t+t时刻的荷载步中，结构的非线性增量平衡方程为： 式中：为t时刻结构的总的切线刚度矩阵，为结构从t时刻到t+t时刻的节点位移增量，为结构在t+t时刻的节点荷载力向量，为t时刻单元应力的等效节点荷载力向量。根据文献5分析，非线性方程组采用Newton-Raphson迭代求解更能体现UL法的优点，故本
6、文采用此方法求解方程组。有限元计算过程中变形对结构刚度的影响由Ansys软件中的大变形效应和应力刚化效应考虑。1.4 建立铁塔有限元模型材料为各向同性硬化材料，符合V.Mises初始屈服条件和流动法则，且为相关流动；结构为大位移小变形运动；节点为理想空间刚节点或理想的空间铰接点；不计构件加工、安装误差及材料初始缺陷；在ANSYS软件中，辅材采用Link8杆单元，仅受轴力，主材和横隔采用Beam188梁单元，该单元为考虑切应变且不考虑截面翘曲的Timoshenko梁单元。2 室内主材试件拉、压力试验把传感器与内包铁角钢、主材角钢连接在一起，组成室内试验试件，以模拟传感器加装至铁塔塔腿处主材的真实
7、试验场景。室内试验组装如图1所示。室内试验包括试件的拉力试验和压力试验，以便更好的模拟铁塔塔腿悬空时主材的受力情况。拉、压力试验为静力加载，每次荷载增加值为8KN，等速率负荷控制5KN/S，保持时间40S，最大加载值为80KN7。加载至每一子步时记录传感器读数，分别进行多组试验，每组试验后对螺栓重新紧固8。2.1试件压力试验将试件固定在试验台上，进行压力试验，如图所示1。图1 试件压力试验组装Fig.1 Pressure test以传感器输出值为x（单位：N）轴，试件所受应力为y（单位：Pa）轴，得出2T-7395和2T-7398传感器输出值与试件所受应力的数据如表1、表2关系曲线如图2、图3
8、所示。由最小二乘法得出一元线性回归关系式分别为： y1= 891.67x1 + 20267 （10） y2= 891.78x2+ 22203 （11）表1 2T-7395传感器输出与主材应力数据表 实验频次加载值（KN）传感器受力值(N)主材应力值(Pa)传感器输出值（N）0000 0 1840001639344 1545 21680003278689 3557 324120004918033 5537 432160006557377 7464 5421 9356 648240009836066 11214 75628 12985 86432 14700 97236 16350 193443
9、18159 0200000040000006000000800000010000000120000001400000016000000180000005000100001500020000传感器输出值(N)主材理论计算值(Pa)图2 2T-7395压力试验关系曲线图Fig.2 2T-7395 pressure sensor test curve 表2 2T-7398传感器输出与主材应力数据表实验频次加载值（KN）传感器受力值(N)主材应力值(Pa)传感器输出值（N）0000 0 1840001639344 1542 21680003278689 3554 324120004918033 553
10、0 432160006557377 7458 5421 9359 648240009836066 11211 75628 12985 86432 14693 97236 16346 193443 18153 0200000040000006000000800000010000000120000001400000016000000180000005000100001500020000传感器输出值(N)主材应力计算值(Pa)图3 2T-7398压力试验关系曲线图Fig.3 2T-7398 pressure sensor test curve根据试件压力试验得出的关系曲线，可以得出在试件受压时，传感
11、器输出值与试件所受应力之间有良好的线性关系，压力试验设计合理。2.2试件拉力试验将试件固定在试验台上，进行拉力试验，如图所示4。图4 试件拉力试验组装图 Fig.4 Tensile testing同压力试验相同，以传感器输出值为x（单位：N）轴，试件所受应力为y（单位：Pa）轴，得出三组传感器输出值与试件所受应力的关系曲线如图5、图6、图7所示。由最小二乘法得出一元线性回归关系式分别为： y3 = 979.83x3 - 1E+06 （12） y4 = 961.8x4+ 300435 （13） y5 = 950.54x5 - 1E+06 （14）-500000050000001000000015
12、00000020000000250000000500010000150002000025000传感器输出值(N)主材应力计算值(Pa)图5 5T传感器拉力试验关系曲线图Fig.5 5T tension force sensor test curve0500000010000000150000002000000025000000500010000150002000025000传感器输出值(N)主材应力计算值(Pa)图6 2T传感器拉力试验关系曲线图 Fig.6 2T tension force sensor test curve-500000005000000100000001500000020
13、00000025000000500010000150002000025000传感器输出值(N)主材应力计算值(Pa) 图7 5T传感器应变仪拉力试验关系曲线图Fig.7 5T strain gauge tension force sensor test curve根据试件拉力试验得出的关系曲线，可以得出在试件受拉时，传感器输出值与试件所受应力之间有良好的线性关系，拉力试验设计合理。以室内拉、压力试验为参照，可以将传感器加装至铁塔塔腿处主材上进行铁塔试验，进行铁塔主材受力与传感器输出值之间关系的研究，并与室内试验作对比分析，验证理论的可行性和试验的正确性。3 室外铁塔试验为了模拟出由输电铁塔塔腿
14、悬空给铁塔主材应力造成的影响，现对试验基地一基铁塔进行单侧加载，铁塔塔身沿线路方向有结构位移，使得塔腿处主材主要受到轴向拉压作用，从而较为准确模拟了塔腿悬空。本试验采用SJD-90终端转角塔为试验塔，该塔呼高17米，塔高26.5米，塔身主材为16Mn 125*10。拉压传感器四个，分别加装 图8 铁塔倾斜试验图至铁塔塔腿处主材上，分别 Fig.8 Tower tilt test用编号1、2、3、4表示，如图8所示。 通过ANSYS软件对试验塔进行建模并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应力理论计算值9。以传感器输出值为x轴(单位：N)，以主材应力计算值为y轴(单
15、位：Pa),得到应力值与传感器输出值之间的关系曲线(数据如表3、表4)如下图所示：表3外加荷载(kN)1位置2位置传感器输出值（N）理论应力值（MPa,初始力120N）传感器输出值（N）理论应力值（MPa,初始力120N）0-9212 -3.590 -10192 -3.630 2-12074 -5.460 -13054 -5.500 3.8-13789 -7.140 -14994 -7.190 5.7-15513 -8.920 -16395 -8.970 7.6-16366 -10.700 -17542 -10.700 9.8-17503 -12.700 -18483 -12.800 11.7
16、-19130 -14.500 -20227 -14.600 13.8-20658 -16.500 -22128 -16.500 16-22070 -18.500 -23745 -18.600 17.8-23471 -20.200 -24843 -20.300 19.8-24794 -22.100 -26391 -22.200 21.9-26039 -24.000 -26911 -24.100 23.6-27136 -25.600 -28165 -25.700 20-24853 -22.300 -26470 -22.300 16-22070 -18.500 -23442 -18.600 12.2
17、-17914 -15.000 -20854 -15.100 8.4-14641 -11.400 -17875 -11.500 4.4-11613 -7.700 -15611 -7.750 0-8614 -3.590 -7683 -3.630 12.1-17895 -14.900 -17895 -15.000 23.8-29841 -25.800 -28224 -25.900 12.3-16778 -15.100 -20874 -15.100 0-7987 -3.590 -7624 -3.630 4.2-11701 -7.510 -15033 -7.560 8-14318 -11.100 -18
18、718 -11.100 12-17042 -14.800 -20590 -14.900 16-20551 -18.500 -23402 -18.600 20-25068 -22.300 -26048 -22.300 23.8-29919 -25.800 -28449 -25.900 19.8-24941 -22.100 -25921 -22.200 16-20384 -18.500 -23324 -18.600 12.1-16425 -14.900 -18875 -15.000 8-12995 -11.100 -18845 -11.100 4-10378 -7.330 -14004 -7.38
19、0 0-8369 -3.590 -7291 -3.630 表4外加荷载(kN)3位置4位置传感器输出值（N）主材应力值（MPa,初始力120N）传感器输出值（N）理论应力值（MPa,初始力120N）0-3283 -2.950 -3675 -2.940 2-2332 -1.610 -2617 -1.590 3.8-902 -0.395 -951 -0.372 5.72960 0.885 3107 0.914 7.64077 2.170 4204 2.200 9.85566 3.650 5851 3.690 11.77389 4.930 7468 4.980 13.89320 6.350 9261
20、 6.400 1610613 7.830 10780 7.890 17.810878 9.050 12270 9.110 19.813152 10.400 13887 10.500 21.915641 11.800 15719 11.900 23.616964 13.000 17130 13.000 2012995 10.500 13181 10.600 167654 7.830 7742 7.890 12.23508 5.270 3753 5.320 8.4392 2.710 588 2.740 4.4-1735 0.009 -1764 0.034 0-1970 -2.950 -1980 -
21、2.940 12.13450 5.200 3655 5.250 23.814004 13.100 14200 13.200 12.33087 5.340 3420 5.380 0-2078 -2.950 -2636 -2.940 4.2353 -0.125 412 -0.101 82205 2.440 2528 2.470 123469 5.130 4077 5.180 167321 7.830 7850 7.890 2010212 10.500 11025 10.600 23.814328 13.100 14876 13.200 19.89163 10.400 9800 10.500 165
22、958 7.830 5978 7.890 12.11921 5.200 2019 5.250 81519 2.440 1656 2.470 4-794 -0.260 -1029 -0.237 0-1921 -2.950 -2332 -2.940 -3.00E+07-2.50E+07-2.00E+07-1.50E+07-1.00E+07-5.00E+060.00E+00-40000-30000-20000-100000传感器输出值(N)主材应力理论计算值(Pa)图9 主材1应力值与传感器输出值关系曲线图Fig.9 main material 1 stress -sensor output val
23、ue -3.00E+07-2.50E+07-2.00E+07-1.50E+07-1.00E+07-5.00E+060.00E+00-30000-25000-20000-15000-10000-5000传感器输出值(N)主材应力理论计算值(Pa)图10主材2应力值与传感器输出值关系曲线图Fig.10 main material 2 stress -sensor output value-4.00E+06-2.00E+060.00E+002.00E+064.00E+066.00E+068.00E+061.00E+071.20E+071.40E+071.60E+07-5000050001000015
24、00020000传感器输出值(N)主材应力理论计算值(Pa)图11主材3应力值与传感器输出值关系曲线图Fig.11 main material 3 stress -sensor output value-4.00E+06-2.00E+060.00E+002.00E+064.00E+066.00E+068.00E+061.00E+071.20E+071.40E+071.60E+07-500005000100001500020000传感器输出值(N)主材应力理论计算值(Pa)图12主材4应力值与传感器输出值关系曲线图Fig.12 main material 4 stress -sensor out
25、put value应力值与传感器输出值之间的一元线性回归方程为： y= 1096.8x+ 5E+06 （15） y= 1131.1x+ 8E+06 （16） y= 814.23x+ 617284 （17） y= 793.12x+ 630061 （18）在图8中1、2位置处传感器处于施加外荷载的一侧因而此两处的传感器一直是受压的，而3、4位置处传感器则随着外荷载的增大受力状态表现为由压到拉，当外荷载等于传感器上部铁塔自重时，此时传感器受力为零。由图9、图10和图11、图12有明显的不同，后两图数据拟合曲线通过零点。由相应的关系式知，此种布置传感器受压与受拉得出的关系式的相关系数基本一致，但之间存
26、在一定的误差，有必要进行进一步的误差分析。室内主材试件试验中，受拉时主材应力与传感器输出值的相关系数大于受压时的相关系数；真塔试验中,受拉时主材应力与传感器输出值的相关系数小于受压时的相关系数。这是由于室外试验时，1、2号主材受压，两段主材之间由于间隔只有1cm，致使受压后相互抵消部分应力，使传感器输出的数值较小，从而相关系数偏大。4 结论(1）传感器受压时与所对应的应力的线性相关性比受拉时要好，上述室内外试验得到的受拉与受压的相关系数平均值的比值为1.0869:1。(2）真塔试验中主材应力与传感器输出值的相关系数最小为受拉时793.12，最大为受压时1131.1，在一定范围内变化。(3）在实
27、际运用中，需要观测铁塔在正常运行状态下的传感器数值以确定铁塔主材应力值的变化范围，以此来作为判断铁塔处于不安全状态的依据。(4）利用本试验成果可以在输电铁塔的主材变截面处安装类似定制的传感器，再设计配套的数据采集系统，远程的实现对铁塔主材应力值变化情况的监控。参考文献：1 马维青. 输电线路铁塔倾斜智能监测系统的研究. 山西电力,2008 (5) :22225.MA Weiqing. Study on inclination intelligent monitoring system of transmission line pylon. Shanxi Electric Power .2008
28、 (5) : 22225.2龚瑞昆.改善传感器特性的软件处理方法.传感器世界，2001，2:43一47.3陈淑铭,乔田田.一个求解非线性最小二乘问题的新方法.烟台大学学报，2004，17(l):14一22.4陈栋，朱慈勉TL法和UL法对几何非线性桁架问题的适用性J，成都：四川科学建筑研究，2000，26(3)：1-45张志宏大型索杆梁张拉空间结构体系的理论研究D，杭州：浙江大学博士论文，20036谢贻权弹性和塑性力学中的有限单元法M北京：机械工业出版社，19847 中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL/T 8992004.架空线路杆塔结构荷载试验，北京：中国电力出版社,20048 中华人民共
29、和国水利部土木试验操作规程.2007.9 易伟建，张望喜.建筑结构试验.北京：中国建筑工业出版社，2005.作者简介：王德贺(1971-),汉族，安徽省亳州人，硕士，现就职于贵州电网公司培训与评价中心从输配电线路教学、培训、研究工作，邮编：550000。Theory and practice comparative analysis of Sensors monitor tilted towerWANG De-he1 , GAN Feng-lin2 (1. Guizhou Electric Power Vocational and Technical College of the Southe
30、rn Power Grid, Gui Yang 550000;2. China Datang Group Science and Technology Research Institute, Beijing 100032)ABSTRACT: In transmission lines, changes in external conditions often lead to instability of the iron leg, causing accidents of the fall of the tower. Besides, instability of the iron leg w
31、ill definitely cause change of main material forces of transmission tower. In order to predict in advance the causes of falling tower accidents, this essay proposes to utilize a specially designed strain sensor similar to the shape of package angle and the sensor installed in the main material of th
32、e tower is used to reflect stress state of the towers main material. According to the output value of sensor, we can determine whether the tower forces will reach the critical state of instability. In this way, we can obtain the goal of carrying out intelligence warning for the tower down so as to guarantee the normal and safe operation of the transmission line.KEY WORDS: sensor; down-tower smart warning; instability of the iron leg; experimental analysis.