王 華，孟 歡，李 萍

（上海港灣工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，上海 201315）

大型高聳建筑物的晃動(dòng)位移測(cè)量方法總體可歸納為以下幾種方法：GPS(Global Positioning System)/北斗衛(wèi)星測(cè)量法[1]、激光測(cè)量法[2]、傾角測(cè)量法[3]、視頻技術(shù)測(cè)量法[4]、低頻振動(dòng)位移傳感器測(cè)量法[5]。這些測(cè)量方法都存在較明顯的缺陷。GPS/北斗衛(wèi)星測(cè)量法的測(cè)量精度通常只有厘米級(jí)別、需要幾公里范圍內(nèi)有靜態(tài)的基準(zhǔn)參考點(diǎn)，不適合用于遠(yuǎn)離海岸線幾十公里的海上風(fēng)機(jī)塔上。激光測(cè)量法雖然精度可達(dá)到毫米級(jí)別，但是需要在被測(cè)對(duì)象附近找到靜態(tài)的設(shè)備安裝點(diǎn)、并且受天氣影響較大，也不適合用于海上風(fēng)機(jī)塔的晃動(dòng)位移的測(cè)量。傾角測(cè)量法是一種間接測(cè)量方法，在高聳建筑物的多個(gè)高程布置一定數(shù)量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，然后通過數(shù)字積分模型得到位移曲線。傾角測(cè)量法安裝方便、不需要靜態(tài)參考點(diǎn)，但是由于傾角儀同時(shí)能感應(yīng)到結(jié)構(gòu)的水平向振動(dòng)加速度信號(hào)，需要對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行低通濾波（通常濾波截止頻率要低于結(jié)構(gòu)的1 階固有頻率值）后，方可使用，進(jìn)而導(dǎo)致其無法測(cè)量結(jié)構(gòu)的較高頻率水平向振動(dòng)位移。因此，傾角測(cè)量法得到的位移為高聳建筑物的1階固有頻率以下的超低頻率位移。視頻技術(shù)測(cè)量法主要是通過高性能的攝像頭快速抓拍建筑物，然后通過圖像處理后得到建筑物的晃動(dòng)位移。此方法適合用于實(shí)驗(yàn)室的建筑物模型實(shí)驗(yàn)，或者大型建筑物頂部附近有靜態(tài)參考點(diǎn)的場(chǎng)景。低頻振動(dòng)位移傳感器不需要靜態(tài)參考點(diǎn)，使用非常方便，但是由于其下限頻率無法達(dá)到0，只能感應(yīng)到其有效頻帶范圍內(nèi)的各種周期性振動(dòng)位移信號(hào)，不能得到大型高聳建筑物的非周期信振動(dòng)位移信號(hào)和傳感器有效頻帶范圍外的周期性振動(dòng)位移信號(hào)。

基于現(xiàn)有大型高聳建筑物的晃動(dòng)位移測(cè)量方法都存在明顯的缺陷，晃動(dòng)位移特性對(duì)于此類結(jié)構(gòu)物動(dòng)力響應(yīng)的研究又極其重要[6–10]。本文提出了一種可用于海上風(fēng)機(jī)塔晃動(dòng)位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的新方法：把傾角測(cè)量法和低頻振動(dòng)位移傳感器測(cè)量法融合到一套同步采集系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種信號(hào)擬合疊加數(shù)字模型，把兩種測(cè)量方法的兩條位移時(shí)程曲線同步疊加成一條位移時(shí)程曲線，精確得到海上風(fēng)機(jī)塔的晃動(dòng)位移時(shí)程曲線。本方法彌補(bǔ)了傾角測(cè)量法、低頻振動(dòng)位移傳感器測(cè)量法的缺陷。模型實(shí)驗(yàn)和實(shí)測(cè)信號(hào)分析結(jié)果表明此方法可得到0.1 毫米級(jí)別的晃動(dòng)位移分辨率、可感應(yīng)到0～10 Hz的晃動(dòng)位移信號(hào)。

1 測(cè)量設(shè)備和原理介紹

本方法由2個(gè)高精度的雙向動(dòng)態(tài)傾角儀、1臺(tái)高精度的多參數(shù)輸出傳感器、1臺(tái)8通道的高精度動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀構(gòu)成。其中多參量輸出傳感器含雙向動(dòng)態(tài)傾斜度信號(hào)輸出、雙向低頻振動(dòng)位移信號(hào)輸出，傳感器布置位置情況如表1所示。

表1 新方法的傳感器布置情況

雙向動(dòng)態(tài)傾角儀為河北振創(chuàng)電子科技有限公司生產(chǎn)的QYG01-1 型動(dòng)態(tài)傾角儀，其動(dòng)態(tài)分辨率為0.001 度，低通濾波后的有效頻帶為0～0.1 Hz，量程為10度，模擬量信號(hào)輸出。多參量輸出傳感器為河北振創(chuàng)電子科技有限公司生產(chǎn)的QZDC-A 型傳感器，可同步輸出雙向動(dòng)態(tài)傾斜度信號(hào)、雙向振動(dòng)位移信號(hào)，其中動(dòng)態(tài)傾斜信號(hào)的性能與QYG01-1型動(dòng)態(tài)傾角儀一致，其低頻振動(dòng)位移信號(hào)的分辨率為0.1 mm，有效頻帶為0.1 Hz～10 Hz，量程為2 m，模擬量信號(hào)輸出。高精度動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀為河北振創(chuàng)電子科技有限公司生產(chǎn)的G01NET-3F型數(shù)據(jù)采集儀，其A/D位數(shù)為24位，8通道同步輸入，RJ45網(wǎng)口數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)配套河北振創(chuàng)的G01NETFDC風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)和塔筒安全監(jiān)測(cè)軟件使用，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的自動(dòng)化采集與在線分析。

海上風(fēng)機(jī)塔可簡(jiǎn)化為1個(gè)豎立的懸臂梁。由于風(fēng)機(jī)塔的主要外部作用力為低頻率的風(fēng)荷載、潮流荷載、葉片等效作用力荷載[11–13]，且其1 階固有頻率介于0.15 Hz～0.4 Hz[14]，所以其晃動(dòng)位移信號(hào)的頻率成分主要集中在0～5 Hz 范圍內(nèi)，可把海上風(fēng)機(jī)塔的晃動(dòng)位移信號(hào)分為0～0.1 Hz 和0.1 Hz～5 Hz兩個(gè)頻帶段。0～0.1 Hz 頻帶段的晃動(dòng)位移信號(hào)通過傾角法測(cè)量；0.1 Hz～5 Hz 頻帶段的晃動(dòng)位移信號(hào)通過低頻振動(dòng)位移傳感器測(cè)量。

基于3個(gè)點(diǎn)的傾斜度計(jì)算塔筒頂部的位移的步驟可分為以下3個(gè)步驟：

第1步：基于某個(gè)時(shí)刻的3個(gè)點(diǎn)的傾斜值進(jìn)行塔筒斜率曲線擬合。

假設(shè)f(x)為塔筒各位置的斜率曲線函數(shù)，且定義此函數(shù)為二次函數(shù)：

然后基于三個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)斜率值對(duì)此函數(shù)進(jìn)行最小二次方程求解得到其3個(gè)常量的值。

第2 步：對(duì)斜率曲線函數(shù)進(jìn)行積分得到塔筒頂部的位移值。

假設(shè)塔筒高H米，其位移為S1，則：

第3步：不斷循環(huán)重復(fù)以上兩步，得到某時(shí)間段的塔筒頂部位移數(shù)組：

N為此時(shí)間段采集到的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

假設(shè)這段時(shí)間振動(dòng)位移傳感器輸出的振動(dòng)位移數(shù)組為：

由于傾角儀和振動(dòng)位移傳感器是由同1臺(tái)采集儀同步采集到的，因此，兩個(gè)數(shù)組里相同位置的數(shù)子是同一時(shí)刻采集儀到。則這時(shí)間段的塔筒頂部晃動(dòng)位移數(shù)組為：

基于以上方法可求得塔筒頂部在主風(fēng)向、垂直主風(fēng)向兩個(gè)方向的晃動(dòng)位移時(shí)程曲線。

2 基于模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒為高聳結(jié)構(gòu)建筑物，高度可達(dá)100 m，上部直徑為2 m～4 m左右，底端通過打樁或者澆筑混凝土固定，頂部可自由晃動(dòng)，為典型的懸臂梁結(jié)構(gòu)，所以本文使用懸臂梁結(jié)構(gòu)對(duì)塔筒的晃動(dòng)位移量進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，選取的梁結(jié)構(gòu)尺寸接近于塔筒按比例縮小的模型。具體實(shí)驗(yàn)過程如下。

把1 根長(zhǎng)為5 m、寬0.2 m、高0.1 m 的工字梁的一端固定在一個(gè)水泥墩上，另外一頭懸空，在工字梁固定端和中間位置分別布置一個(gè)單向的QYG01-1傾角儀，在懸空端布置一個(gè)帶豎向位移和單向傾角輸出的QZDC-A 型多參量傳感器，及1 個(gè)拉線式位移計(jì)。實(shí)驗(yàn)方法布置示意圖如圖1所示。工字梁的截面尺寸和使用的傾角傳感器如圖2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)方法示意圖

圖2 校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)照片

荷載加載情況和測(cè)量結(jié)果如表2所示。

由表2可見：傾角-振動(dòng)位移計(jì)合成法相比純傾角儀法，得到的最大絕對(duì)位移值更準(zhǔn)確。當(dāng)荷載為靜態(tài)加載時(shí)，傾角儀法、拉桿式位移計(jì)法、傾角-振動(dòng)位移計(jì)合成法測(cè)試結(jié)果都非常接近；當(dāng)荷載為動(dòng)態(tài)加載時(shí)，如以拉桿式位移計(jì)法為參考，則傾角-振動(dòng)位移計(jì)合成法的測(cè)試結(jié)果誤差分別為-1.9 %、0.8%，而傾角儀法的測(cè)試結(jié)果誤差分別為-17.1%、-28.9%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明傾角儀-振動(dòng)位移計(jì)合成法的測(cè)試結(jié)果精度較高，可達(dá)到至少毫米級(jí)的精度，改善了傾角儀法測(cè)量動(dòng)態(tài)加載荷載的誤差較大的情況。因此，把振動(dòng)位移計(jì)的測(cè)量時(shí)程波形同步合成到傾角儀法的時(shí)程波形，可明顯提高傾角儀法測(cè)量動(dòng)態(tài)位移時(shí)的精度。

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y(cè)量原理簡(jiǎn)單，計(jì)算過程干擾因素較少而且與被測(cè)量對(duì)象的結(jié)構(gòu)無關(guān)，不會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)物不同而導(dǎo)致測(cè)量精度改變，可能會(huì)因?yàn)闇y(cè)量使用的儀器精度不同導(dǎo)致監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度有所變化。

3 單樁基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)晃動(dòng)位移實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

本文使用此方法對(duì)江蘇大豐縣的某個(gè)總裝機(jī)容量200 MW 海上風(fēng)電場(chǎng)的2 座單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)塔開展了晃動(dòng)位移的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。這兩座風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)為同類型的單樁基礎(chǔ)樁，打入淤泥35 m～50 m；基礎(chǔ)樁露出水面9 m～12 m；塔筒為3 節(jié)塔筒結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)樁到塔頂高為97 m。機(jī)組為上海電氣的4 MW風(fēng)機(jī)。機(jī)組圖片如圖3所示。

圖3 單樁基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)

典型的臺(tái)風(fēng)風(fēng)速曲線如圖4所示。繪制此時(shí)機(jī)組在臺(tái)風(fēng)作用下的典型晃動(dòng)位移時(shí)程圖如圖5所示。

圖4 臺(tái)風(fēng)期間的典型風(fēng)速時(shí)程圖

圖5 37#機(jī)組臺(tái)風(fēng)作用下的典型晃動(dòng)位移時(shí)程圖

為了更加全面地研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)的晃動(dòng)位移情況，分偏航、臺(tái)風(fēng)、工作狀態(tài)、和停機(jī)狀態(tài)4種工況進(jìn)行晃動(dòng)位移測(cè)試，偏航工況是指手動(dòng)偏航360°的情況，臺(tái)風(fēng)工況是指舜時(shí)風(fēng)速介于30 m/s～45 m/s 的停機(jī)情況，工作狀態(tài)是指葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，瞬時(shí)風(fēng)速介于10 m/s～15 m/s之間的情況，停機(jī)狀態(tài)是指瞬時(shí)風(fēng)速介于5 m/s～8 m/s，發(fā)電機(jī)未發(fā)電的情況。統(tǒng)計(jì)風(fēng)機(jī)塔在各種典型工況下的頂部晃動(dòng)位移峰值如表3和表4所示。

表3 47#風(fēng)機(jī)各典型工況下的晃動(dòng)位移最大峰值

表4 58#風(fēng)機(jī)各典型工況下的晃動(dòng)位移最大峰值

由圖5和圖6可見：此類4 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒頂部在臺(tái)風(fēng)期間的晃動(dòng)位移幅度較大，其頻譜在0.003 Hz、0.045 Hz、0.33 Hz 處比較突出。臺(tái)風(fēng)發(fā)生時(shí)，風(fēng)機(jī)一般做停機(jī)處理，0.33 Hz與塔筒1階固有頻率很接近，0.045 Hz 和0.003 Hz 可能與風(fēng)速變化速率相關(guān)，所以臺(tái)風(fēng)作用下風(fēng)機(jī)塔筒主要振動(dòng)為受迫振動(dòng)和1階固有頻率的振動(dòng)。

圖6 37#機(jī)組臺(tái)風(fēng)作用下的典型晃動(dòng)位移頻譜圖

由表3和表4可見：塔筒頂部在偏航狀態(tài)下的晃動(dòng)位移最大峰值比正常運(yùn)轉(zhuǎn)下的晃動(dòng)位移最大峰值大2～3 倍，其中#47 號(hào)風(fēng)機(jī)塔頂?shù)奈灰浦颠_(dá)到了687.2 mm。兩座風(fēng)機(jī)塔在同樣的手工偏航360°的情況下，塔頂主峰向的最大晃動(dòng)位移峰值分別為687.2 mm、469.4 mm差較大。這可能是#47號(hào)風(fēng)機(jī)的偏航卡鉗老化較嚴(yán)重而導(dǎo)致其與齒輪的沖擊力較大，進(jìn)而引起塔筒劇烈晃動(dòng)。兩座風(fēng)機(jī)在臺(tái)風(fēng)作用下的最大晃動(dòng)位移峰值分別為1 393.6 mm、968.0 mm，超過了其高程的1/100 的彎曲幅度。以上分析表明此類型風(fēng)機(jī)塔在臺(tái)風(fēng)期間、對(duì)風(fēng)向偏航期間的晃動(dòng)幅度都較大，應(yīng)引起重視。

4 結(jié)語

本文分析了常見方法測(cè)量高聳建筑物晃動(dòng)位移的不足之處，然后提出傾角儀法、低頻振動(dòng)位移法同步采集和同步合成的新的測(cè)量方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明傾角儀法-振動(dòng)位移計(jì)法在動(dòng)態(tài)荷載工況下的測(cè)量結(jié)果與拉桿式位移計(jì)測(cè)量結(jié)果比較，誤差小于2%，可達(dá)到至少毫米級(jí)的精度。

同時(shí)本文在兩臺(tái)4 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)上進(jìn)行了晃動(dòng)位移實(shí)測(cè)，測(cè)試結(jié)果可以有效分析塔頂晃動(dòng)的位移幅度和頻譜特性，發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)或偏航作用下塔筒頂部的晃動(dòng)位移幅度較大，臺(tái)風(fēng)作用下晃動(dòng)位移超過了機(jī)組高程的1/100，偏航作用下風(fēng)機(jī)的晃動(dòng)位移接近正常運(yùn)行時(shí)的兩倍，這兩種工況機(jī)組的安全狀況都值得進(jìn)一步的研究；機(jī)組在臺(tái)風(fēng)作用下振動(dòng)除了集中在1 階固有頻率處外還集中在0.003 Hz 和0.045 Hz的頻率點(diǎn)，可能是因?yàn)轱L(fēng)速、海浪等作用下導(dǎo)致的受迫振動(dòng)頻率。

本文的研究提出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)晃動(dòng)位移的測(cè)量的新方法，提高了晃動(dòng)位移測(cè)量的精度，同時(shí)實(shí)測(cè)了兩臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，豐富了海上風(fēng)機(jī)塔筒晃動(dòng)位移的研究資料。