基于FBG的電力鐵塔塔身主梁受力形變研究*

胡明耀， 王達(dá)達(dá)， 代云洪， 汪春莉， 郭 丹， 李 川

(1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南電網(wǎng)公司 研究生工作站，云南 昆明 650217； 3.云南電網(wǎng)公司 培訓(xùn)中心，云南 昆明 650217；4.中天日立光纜有限公司,江蘇 南通 226463)

0 引 言

作為電力鐵塔的重要組成部分，塔身主材具體指塔身立體桁架的4根主要桿件，是電力鐵塔受力的主要支撐構(gòu)件，承受鐵塔整體的水平和垂直載荷[1]。由于地震、強(qiáng)風(fēng)載荷、線路覆冰等自然災(zāi)害的影響，塔身主材受力形變會(huì)明顯增加，將可能發(fā)生壓壞、拉壞等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生倒塔斷線事故[2,3]。因此，在電力鐵塔的使用過程中，迫切需要一種實(shí)時(shí)、可靠的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)電力鐵塔塔身主材的受力情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段主要是依靠視頻監(jiān)控、人員巡視以及直升機(jī)巡線等技術(shù)，這類監(jiān)測(cè)手段往往周期長(zhǎng)、耗時(shí)費(fèi)力而且不能隨時(shí)掌握鐵塔塔身主材的受力形變的變化狀態(tài)[4]。光纖Bragg光柵(FBG)傳感器是目前應(yīng)用最為廣泛的光纖傳感器之一，與電子類傳感器相比，F(xiàn)BG傳感器不怕雷擊、可靠性好、抗電磁干擾、尺寸小、重量輕、耐腐蝕、可以遠(yuǎn)距離傳輸且能復(fù)用，一臺(tái)儀器可以接成百上千只傳感器，非常適用于露天的大陣列鐵塔監(jiān)測(cè)，推廣潛力很大[5～8]。2010年，謝強(qiáng)等人為研究風(fēng)荷載下覆冰導(dǎo)線動(dòng)張力對(duì)輸電塔結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用，利用FBG應(yīng)變傳感器，通過覆冰特高壓輸電塔分裂導(dǎo)線藕聯(lián)體系風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)得了導(dǎo)線的動(dòng)應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)規(guī)范對(duì)覆冰導(dǎo)線弦向張力荷載值的考慮略顯不足，不平衡張力容易成為輸電塔結(jié)構(gòu)破壞的重要原因[9]。2013年，黃平平等人通過FBG應(yīng)變傳感器測(cè)試鐵塔3條料拉索的應(yīng)變，計(jì)算出鐵塔塔頂?shù)臄[幅，傾斜度誤差約1/24 000，能夠滿足鐵塔安全報(bào)警的要求，可以代替人工定期測(cè)試的方法[10]。

本文研制了一種采用Q235鋼材的鐵塔模型，在鐵塔的4根塔身主材的表面中心處粘貼了4只FBG，采用塔身主材在受到外載荷的作用下使得塔身主材產(chǎn)生擾度變化的機(jī)械運(yùn)動(dòng)測(cè)量方式，將受力形變量轉(zhuǎn)換為FBG中心波長(zhǎng)的移位量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)塔身主材受力形變的有效測(cè)量。

1 鐵塔塔身主材受力形變的測(cè)量原理

塔身主材受力形變的測(cè)量就是根據(jù)塔身主材受力產(chǎn)生的撓度變化監(jiān)測(cè)其健康狀況。將FBG粘貼在4根塔身主材上，當(dāng)因各種外界條件影響使得橫擔(dān)所受導(dǎo)線張力和重力發(fā)生變化之后，塔身主材所受內(nèi)力也會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變，通過粘貼在塔身主材上的FBG將塔身主材的線應(yīng)變轉(zhuǎn)換成FBG的中心波長(zhǎng)移位，F(xiàn)BG通過輸入輸出光纖與信號(hào)處理裝置光連接，利用解調(diào)儀得到FBG中心波長(zhǎng)的移位量。塔身主材受力形變測(cè)量結(jié)構(gòu)如圖1所示，而鐵塔塔身主材內(nèi)部受力載荷分布如圖2所示。

圖1 塔身主材受力形變測(cè)量示意圖

圖2 塔身主材內(nèi)部受力載荷分布圖

塔架可以簡(jiǎn)化為一個(gè)空間桁架，空間桁架通常是可以分解為平面桁架的方法來計(jì)算桿件內(nèi)力的。輸電線路中通常的塔架為矩形平截面形式，每一側(cè)面均為平面桁架，所以可以用平面桁架發(fā)來計(jì)算內(nèi)力。載荷在左側(cè)平面桁架1—1截面和右側(cè)平面桁架2—2截面以上部分的分配關(guān)系如圖3。

圖3 左側(cè)平面桁架1—1截面和右側(cè)平面桁架2—2截面以上部分的受力分析圖

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)塔身主材的內(nèi)力計(jì)算式公為[11]

(1)

式中G為垂直向下的力，F(xiàn)T為水平方向上的拉力，b為塔身主材的高度，a為塔身主材的寬度。

根據(jù)胡克定律

(2)

式中E為塔身主材鋼材的Young’s模量；σ為正應(yīng)力。

又根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)中正應(yīng)力σ與軸力FN的計(jì)算關(guān)系為

(3)

式中FN為軸力；A為塔身主材截面面積。

將式(3)代入式(2)得

(4)

FBG均勻軸向應(yīng)變引起的波長(zhǎng)移位為[12,13]

ΔλB=λB(1-Pe)ε,

(5)

式中 ΔλB為FBG的波長(zhǎng)移位；λB為中心波長(zhǎng)；Pe為有效彈光系數(shù)；ε為軸向應(yīng)變。

將式(4)代入式(5)得

(6)

將式(1)代入式(6)，替換變量FN，由此可得FBG波長(zhǎng)移位ΔλB與塔身主材受力關(guān)系如下

(7)

將式(7)改寫為矩陣形式

(8)

根據(jù)線性代數(shù)的最小二乘法

ATAX=ATB.

(9)

其中

則X可表示為

X=(ATA)-1ATB.

(10)

可得

(11)

本實(shí)驗(yàn)研制的塔架模型選擇Q235鋼材作為塔身主材，塔身主材尺寸：高度為b=1.2 m，寬度為a=0.168 m，塔身主材截面積A=309 mm2。Q235鋼材的Young’s模量為E=206 GPa，4根FBG的中心波長(zhǎng)分別為：中心波長(zhǎng)λA=1 547.000 nm，λB=1 550.000 nm，λC=1 553.000 nm，λD=1 556.000 nm，有效彈光系數(shù)Pe=0.22；將已知量代入公式(11)，則塔身主材受力與安裝在塔身各主材的FBG的中心波長(zhǎng)移位的關(guān)系為

G=-2.560 8×104ΔλA-2.555 8×104ΔλB-2.550 8×104ΔλC-2.545 9×104ΔλD

FT=-1.927 4×103ΔλA+1.923 7×103ΔλB-1.920 0×103ΔλC+1.916 3×103ΔλD.

(12)

由式(12)的對(duì)應(yīng)關(guān)系就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)塔身主材的結(jié)構(gòu)安全健康狀態(tài)的實(shí)施監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了塔身的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。本測(cè)量技術(shù)直接將FBG粘貼在4根塔身主材上，通過把塔身主材受力所產(chǎn)生的撓度變化轉(zhuǎn)換成對(duì)FBG的中心波長(zhǎng)移位的測(cè)量來對(duì)塔身主材的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

2 鐵塔塔身主材的受力載荷試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

圖4給出了塔身主材受力形變的FBG傳感檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖，在鐵塔模型布置傳感器時(shí)以塔身主材的1/2處為標(biāo)準(zhǔn)，在4根主材的相應(yīng)位置分別布置4只FBG，將位于塔身左、右平面桁架的各2根光柵分別進(jìn)行串聯(lián)連接。在鐵塔塔身的載荷測(cè)試試驗(yàn)中，測(cè)試系統(tǒng)由鐵塔模型、光纖、3 dB光纖耦合器、寬帶光源(ASE)和解調(diào)儀等組成。4根傳感光柵的波峰值采用可調(diào)諧光纖Fabry-Perot濾波器進(jìn)行解調(diào)，利用峰值檢測(cè)法由光電探測(cè)器確定反射光的波長(zhǎng)值。試驗(yàn)中，通過加、卸載砝碼的方式對(duì)塔身主材施加載荷。從0 kg開始，每次加載5 kg，直至加到50 kg；卸載時(shí)，每次卸載5 kg，直到卸到0 kg。每增加或減少一次砝碼都要記錄FBG的中心波長(zhǎng)值，如此反復(fù)試驗(yàn)。根據(jù)所記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算傳感器的各種靜態(tài)特征。

圖4 塔身主材受力形變測(cè)量系統(tǒng)實(shí)物圖

利用最小二乘法擬合的測(cè)試結(jié)果表明，測(cè)試系統(tǒng)的載荷重量與4只安裝在塔身主材表面的FBG的中心波長(zhǎng)移位的關(guān)系如下：

1)塔身左平面主材1/2處的光柵1的中心波長(zhǎng)移位與荷載的關(guān)系如圖5所示，重復(fù)性試驗(yàn)表明:該測(cè)點(diǎn)的靈敏度為5 pm/kg；FBG測(cè)量的非線性誤差為3.6 %FS；重復(fù)性誤差為1.9 %FS。因此，當(dāng)檢測(cè)儀的波長(zhǎng)移位的分辨率為1 pm時(shí)，傳感器的測(cè)量分辨率為0.2 kg/pm。

圖5 荷載作用下的FBG 1波長(zhǎng)移位圖及其誤差棒圖

2)塔身左平面主材1/2處的光柵2的中心波長(zhǎng)移位與荷載的關(guān)系如圖6所示，重復(fù)性試驗(yàn)表明:該測(cè)點(diǎn)的靈敏度為6 pm/kg；FBG測(cè)量的非線性誤差為4.7 %FS；重復(fù)性誤差為2.6 %FS。因此，當(dāng)檢測(cè)儀的波長(zhǎng)移位的分辨率為1 pm時(shí)，傳感器的測(cè)量分辨率為0.17 kg/pm。

圖6 荷載作用下的FBG 2波長(zhǎng)移位圖及其誤差棒圖

3)塔身右平面主材1/2處的光柵3的中心波長(zhǎng)移位與荷載的關(guān)系如圖7所示，重復(fù)性試驗(yàn)表明：該測(cè)點(diǎn)的靈敏度為7 pm/kg；FBG測(cè)量的非線性誤差為6.2 %FS；重復(fù)性誤差為3.2 %FS。因此，當(dāng)檢測(cè)儀的波長(zhǎng)移位的分辨率為1 pm時(shí)，傳感器的測(cè)量分辨率為0.14 kg/pm。

圖7 荷載作用下的FBG 3波長(zhǎng)移位圖及其誤差棒圖

4)塔身右平面主材1/2處的光柵4的中心波長(zhǎng)移位與荷載的關(guān)系如圖8所示，重復(fù)性試驗(yàn)表明:該測(cè)點(diǎn)的靈敏度為6 pm/kg；FBG測(cè)量的非線性誤差為3.3 %FS；重復(fù)性誤差為1.2 %FS。因此，當(dāng)檢測(cè)儀的波長(zhǎng)移位的分辨率為1 pm時(shí)，傳感器的測(cè)量分辨率為0.17 kg/pm。

圖8 荷載作用下的FBG 4波長(zhǎng)移位圖及其誤差棒圖

3 結(jié) 論

本文研制了一種采用Q235鋼材材料的鐵塔模型，將4只FBG粘貼在塔身主材表面1/2，能對(duì)塔身主材在外力作用下所產(chǎn)生的擾度形變變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在對(duì)鐵塔塔身主材進(jìn)行加載和卸載時(shí)，F(xiàn)BG測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)果表明:載荷響應(yīng)的靈敏度分別為5 ，6，7，6 pm/kg。非線性誤差為3.6 %，4.7 %，6.2 %，3.3 %FS。電力鐵塔塔身主材所用Q235角鋼的屈服強(qiáng)度為215～235 N/mm2，所需Bragg波長(zhǎng)移位范圍為1 251～1 368 pm。FBG長(zhǎng)期允許應(yīng)變?yōu)? 000×10-6，因此,可測(cè)3 600 pm的波長(zhǎng)移位，能夠滿足1 251～1 368 pm的正常測(cè)量要求。

參考文獻(xiàn):

[1] 陳祥和,劉在國(guó),肖 琦.輸電桿塔及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2008.

[2] 何 軍，赫中營(yíng).輸電鐵塔結(jié)構(gòu)受冰雪荷載作用的破壞原因[J].建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，2008,9:23-25.

[3] 羅 晶，陸佳政，李 波，等.輸電線路桿塔不平衡張力及傾斜監(jiān)測(cè)裝置的研究[J].湖南電力,2011,31(4):1-3.

[4] 李文亮，高義斌，冀晉川，等.光纖光柵應(yīng)變系統(tǒng)在鐵塔大變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[C]∥中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)電力行業(yè)第十二屆無損檢測(cè)學(xué)術(shù)會(huì)議,2012:175-178.

[5] Liu Jianjun,Xia Kaiquan,Wang Jingchao,et al.Theoretical and experimental research on structural health monitoring for power transmission towers based on FBG sensors[C]∥2010 Internatio-nal Conference on Remote Sensing,2010:264-267.

[6] Zhou Zhi,Graver T,Ou Jinping.Techniques of advanced sensors:Manufacturing,demodulation,encapsulation and FBG their application in the structural health monitoring of bridges[J].Pacific Science Review,2003,5(1):116-121.

[7] Zhao Xuefeng,Ou Jinping,Zhou Zhi.Health monitoring of Binzhou Yellow River Highway Bridge using fiber Bragg grating sensors[C]∥Smart Structures & Materials/NDE Joint Confe-rence:Sensors and Smart Structures Technologies for Civil,Mechanical,and Aerospace Systems,SPIE,San Diego,USA,2005.

[8] Ogawa Y.A multiplexing load monitoring system for power transmission lines using fibre Bragg grating[C]∥Proceedings of the Optical Fibre Sensors Conference,Williamsburg,VA,USA,1997:468-471.

[9] 謝 強(qiáng)，嚴(yán)承涌，張 勇.覆冰特高壓導(dǎo)線風(fēng)致動(dòng)張力試驗(yàn)與分析[J].高電壓技術(shù)，2010,36(8):1865-1870.

[10] 黃平平，王 昌，劉小會(huì)，等.基于光纖光柵的鐵塔擺幅監(jiān)測(cè)方法研究[J].山東科技，2013,26(1):52-55.

[11] Young W C,Budynas R G.Roark’s formulas for stress and strain[M].7th ed.New York:McGraw-Hill Companies Inc,2002.

[12] 李 川，張以謨，趙永貴，等.光纖光柵:原理、技術(shù)與傳感應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)出版社，2005.

[13] 李 川.光纖傳感器技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2012.