初金良，陳揚(yáng)哲，高 磊，朱飛飛

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司麗水供電公司，浙江 麗水 323000；2.國(guó)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(gè)服役期間都處在惡劣的自然環(huán)境中，長(zhǎng)期受到環(huán)境的腐蝕作用和高頻率的風(fēng)致作用，材料和力學(xué)性能逐漸退化，如果不進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)和維護(hù)，可能出現(xiàn)嚴(yán)重破壞甚至倒塌[1]。國(guó)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(fēng)致效應(yīng)耦合作用引起桿件出現(xiàn)裂紋、超過極限強(qiáng)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(yīng)力應(yīng)變傳感器，采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法實(shí)現(xiàn)桿件的疲勞損傷性能評(píng)估和剩余壽命預(yù)測(cè)具有重要的理論和工程意義。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于輸電塔的疲勞破壞和疲勞壽命預(yù)測(cè)展開了大量研究。Havard 等[4]對(duì)多個(gè)服役多年的輸電塔進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)荷載致使輸電塔上出現(xiàn)了疲勞裂紋，進(jìn)一步分析得到風(fēng)荷載和導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)是疲勞裂紋產(chǎn)生的主要原因。張春濤等[5]基于風(fēng)振疲勞時(shí)域和頻域計(jì)算方法，提出了輸電塔線體系風(fēng)振疲勞的算法，并且通過工程實(shí)例對(duì)不同風(fēng)場(chǎng)條件下某輸電塔線的風(fēng)振疲勞進(jìn)行了詳細(xì)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(duì)象，通過計(jì)算輸電塔在不同風(fēng)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(shè)計(jì)規(guī)范以及Miner 線性疲勞累積損傷準(zhǔn)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(yàn)證了該方法預(yù)測(cè)輸電塔結(jié)構(gòu)疲勞壽命的準(zhǔn)確性。白海峰等[7]利用Davenport 譜對(duì)風(fēng)荷載進(jìn)行模擬，分析輸電塔關(guān)鍵桿件的應(yīng)力響應(yīng)，采用雨流法、結(jié)合雨流計(jì)數(shù)法、Miner 累積損傷準(zhǔn)則以及系統(tǒng)可靠度理論，計(jì)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(duì)象，通過模擬風(fēng)荷載時(shí)程，計(jì)算輸電塔結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)桿件，對(duì)桿件應(yīng)力采用雨流計(jì)數(shù)法來模擬應(yīng)力時(shí)程，結(jié)合損傷容限理論和斷裂力學(xué)理論，提出了計(jì)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(duì)于輸電塔整體壽命有重要影響。Repetto 等[9]對(duì)風(fēng)荷載作用下細(xì)長(zhǎng)垂直結(jié)構(gòu)的風(fēng)振疲勞進(jìn)行了一系列研究，采用考慮概率分布的方法確定了應(yīng)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(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。

以上研究主要是結(jié)合某一實(shí)際輸電塔，采用有限元建模來模擬風(fēng)荷載，進(jìn)而研究輸電塔桿件的疲勞破壞和剩余壽命。然而，對(duì)真實(shí)的輸電塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行桿件和整體的實(shí)時(shí)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)研究較少，相關(guān)的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法也有待驗(yàn)證和改進(jìn)。鑒于此，本文采用現(xiàn)場(chǎng)輸電塔實(shí)際應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，開展輸電塔典型桿件疲勞損傷性能評(píng)估和剩余壽命預(yù)測(cè)的研究，為輸電塔桿件的疲勞破壞研究提供改進(jìn)方法和技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)概況

本文以浙江省麗水市某220 kV 直線塔為研究對(duì)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(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D以及真實(shí)輸電塔倒塌事故中桿件破壞位置，總結(jié)了輸電塔在風(fēng)致作用下整體受力以及應(yīng)力應(yīng)變的分布情況。結(jié)合具體輸電塔實(shí)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(yīng)變監(jiān)測(cè)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(dān)上布置了共20 個(gè)振弦式應(yīng)變計(jì)。輸電塔振弦式應(yīng)變計(jì)布置如圖1 所示，不同高度振弦式應(yīng)變計(jì)分布如表1 所示。

圖1 輸電塔振弦式應(yīng)變計(jì)布置

表1 不同高度振弦式應(yīng)變計(jì)分布

本研究重點(diǎn)監(jiān)測(cè)了輸電塔塔腿處（4 m）、1/3高度處（16 m）以及第一個(gè)橫擔(dān)處（28 m）的應(yīng)力應(yīng)變情況。塔腿位置的振弦式應(yīng)變計(jì)與輸電塔桿件采用點(diǎn)焊的連接方式，其他部位的振弦式應(yīng)變計(jì)與輸電塔桿件均采用云石膠連接。振弦式應(yīng)變計(jì)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?，F(xiàn)場(chǎng)振弦式應(yīng)變計(jì)安裝如圖2 所示。振弦式應(yīng)變計(jì)通過信號(hào)線與定制的應(yīng)變采集儀連接，考慮到輸電塔結(jié)構(gòu)大都位于較偏遠(yuǎn)的地帶，現(xiàn)場(chǎng)存取實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)十分不便，本研究應(yīng)用數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取與存儲(chǔ)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)振弦式應(yīng)變計(jì)安裝

將應(yīng)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(luò)傳輸模塊。高速通用采集模塊是一種自動(dòng)搜索、自動(dòng)巡檢的信息采集設(shè)備，可以同時(shí)接入多個(gè)振弦式應(yīng)變計(jì)。DTU 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊是一種利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)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(tái)。相關(guān)的無線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，實(shí)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(tái)上可以實(shí)時(shí)查看振弦式應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)情況，實(shí)現(xiàn)所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的保存?zhèn)浞荨⒄{(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(tái)遠(yuǎn)程修改對(duì)應(yīng)的振弦式應(yīng)變計(jì)采集頻率和應(yīng)變變化閾值，實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能。采集儀和無線傳輸系統(tǒng)均由獨(dú)立安裝的太陽能供電系統(tǒng)提供能源。正常監(jiān)測(cè)期間振弦式應(yīng)變計(jì)的采集頻率為0.1 Hz。

2 輸電塔典型通道應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取

在完成所有振弦式應(yīng)變計(jì)的安裝和云平臺(tái)的調(diào)試后，對(duì)已采集的典型通道應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以得到輸電塔關(guān)鍵受力桿件的應(yīng)變時(shí)程。由于極端氣候（如低溫或臺(tái)風(fēng)）下的應(yīng)變數(shù)據(jù)需要專門處理，在進(jìn)行基本疲勞壽命預(yù)測(cè)時(shí)主要考慮正常條件下的數(shù)據(jù)。鑒于2020 年8 月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)最為完整且無極端天氣的影響，選取該時(shí)間段數(shù)據(jù)進(jìn)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(dān)）主材桿件、40 m 高（塔頭）主材桿件的應(yīng)變時(shí)程曲線，如圖5 所示。在風(fēng)荷載及其他環(huán)境因素的作用下，包括桿件應(yīng)變?cè)趦?nèi)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)與風(fēng)荷載幅值有密切關(guān)系，但也具有明顯的隨機(jī)性和非平穩(wěn)性。其中主材的應(yīng)變變化比較劇烈，需要進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)?？梢圆捎瞄撝殿A(yù)警、比對(duì)分析、統(tǒng)計(jì)分析等方法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行基本處理，但同時(shí)也需要利用時(shí)域和頻域的疲勞計(jì)算方法進(jìn)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(yīng)變時(shí)程曲線

3 基于雨流計(jì)數(shù)法的整體壽命分析

為了計(jì)算輸電塔的疲勞應(yīng)力，需要確定輸電桿塔的初始應(yīng)力?？梢酝ㄟ^有限元分析對(duì)該桿塔在重力荷載和風(fēng)荷載作用下的初始變形進(jìn)行數(shù)值模擬仿真計(jì)算，最終為基于雨流計(jì)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(gè)方向均采用固定支座邊界條件進(jìn)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(dān)）主材桿件、40 m 高（塔頭）主材桿件的初始應(yīng)力分別為36 MPa，35.5 MPa，35.3 MPa 和35.2 MPa。

采用雨流計(jì)數(shù)法計(jì)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(shí)間坐標(biāo)軸定為向下，假定應(yīng)力時(shí)程類似雨流，從內(nèi)側(cè)往下流，基于流動(dòng)情況對(duì)各應(yīng)力幅進(jìn)行整理，根據(jù)雨流跡線確定荷載循環(huán)。按正、負(fù)斜率取出所有的半循環(huán)，提取每個(gè)半循環(huán)的起點(diǎn)和終點(diǎn)，以每次雨流的水平長(zhǎng)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(jì)數(shù)法均幅矩陣載荷譜。

圖6 雨流計(jì)數(shù)法原理

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

式中：Δσef為等效應(yīng)力幅；ni為應(yīng)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(yīng)力；β 為材料參數(shù)，與材料和應(yīng)力比有關(guān)。

結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力Δσ 為：

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

等效應(yīng)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(duì)應(yīng)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(jì)算

在對(duì)輸電塔典型部位構(gòu)件進(jìn)行壽命計(jì)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(yàn)評(píng)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(dān)）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(jì)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(dān)）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(dāng)波動(dòng)后并不影響結(jié)果的合理性。

在實(shí)際輸電塔工程中，可通過振弦式應(yīng)變計(jì)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(yīng)變時(shí)程數(shù)據(jù)，通過鋼材的彈性模量將桿件的應(yīng)變時(shí)程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為應(yīng)力時(shí)程數(shù)據(jù)，應(yīng)用雨流計(jì)數(shù)法可以得到關(guān)鍵桿件的有效應(yīng)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(yīng)力，計(jì)算出輸電塔的整體剩余壽命。圖7 為應(yīng)用雨流計(jì)數(shù)法得到的不同關(guān)鍵桿件部位的雨流計(jì)數(shù)矩陣圖。

圖7 輸電塔典型部位桿件的雨流計(jì)數(shù)矩陣圖

通過雨流計(jì)數(shù)法計(jì)算得到4 m高（塔腿）部位、16 m 高（1/3 高度）部位、28 m高（橫擔(dān)）部位、40 m 高（塔頭）部位桿件的有效應(yīng)力幅分別為3.575 8 MPa，3.604 0 MPa，3.313 2 MPa 及3.591 3 MPa，對(duì)應(yīng)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(jì)算結(jié)果中可以看出：輸電塔在自然環(huán)境風(fēng)致作用下，其整體疲勞壽命符合設(shè)計(jì)預(yù)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(duì)較短，因此，應(yīng)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(duì)目前輸電桿塔的實(shí)測(cè)應(yīng)變較少而無法實(shí)現(xiàn)疲勞壽命預(yù)測(cè)的不足，本文以某真型塔為監(jiān)測(cè)對(duì)象，獲取實(shí)測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù)。利用雨流計(jì)數(shù)法和基于連續(xù)損傷動(dòng)力學(xué)的疲勞損傷模型理論，計(jì)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(jì)算權(quán)重系數(shù)，進(jìn)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(yīng)力較小，其應(yīng)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(duì)輸電塔進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變健康監(jiān)測(cè)以及疲勞破壞分析時(shí)，要重點(diǎn)關(guān)注輸電塔塔腿部位，對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)具有重要意義。關(guān)于極端條件下的輸電桿塔壽命預(yù)測(cè)需要結(jié)合相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)另行研究。