基于应变监测数据的输电杆塔疲劳寿命预测

初金良，陈扬哲，高 磊，朱飞飞

（1.国网浙江省电力有限公司丽水供电公司，浙江 丽水 323000；2.国网浙江松阳县供电有限公司，浙江 丽水 323000）

0 引言

高压输电塔是主要的电力输送结构，在整个服役期间都处在恶劣的自然环境中，长期受到环境的腐蚀作用和高频率的风致作用，材料和力学性能逐渐退化，如果不进行及时检测和维护，可能出现严重破坏甚至倒塌[1]。国内外大量输电塔倒塌事故的调查研究表明，倒塌破坏大多是由性能退化和风致效应耦合作用引起杆件出现裂纹、超过极限强度或者发生疲劳损伤造成的[2-3]。因此，在输电塔结构上布置应力应变传感器，采用实时监测方法实现杆件的疲劳损伤性能评估和剩余寿命预测具有重要的理论和工程意义。近年来，国内外学者对于输电塔的疲劳破坏和疲劳寿命预测展开了大量研究。Havard 等[4]对多个服役多年的输电塔进行研究，发现风荷载致使输电塔上出现了疲劳裂纹，进一步分析得到风荷载和导线运动是疲劳裂纹产生的主要原因。张春涛等[5]基于风振疲劳时域和频域计算方法，提出了输电塔线体系风振疲劳的算法，并且通过工程实例对不同风场条件下某输电塔线的风振疲劳进行了详细分析。张卓群等[6]以海宁—乔司Ⅱ回路输电线路上的某500 kV 输电塔为研究对象，通过计算输电塔在不同风荷载作用下的受力情况，依据钢材的S-N 曲线、钢结构设计规范以及Miner 线性疲劳累积损伤准则，提出了一种新的输电塔疲劳寿命分析方法，并通过有限元仿真分析验证了该方法预测输电塔结构疲劳寿命的准确性。白海峰等[7]利用Davenport 谱对风荷载进行模拟，分析输电塔关键杆件的应力响应，采用雨流法、结合雨流计数法、Miner 累积损伤准则以及系统可靠度理论，计算了输电塔的疲劳寿命及可靠度。孙彤等[8]以某500 kV 输电塔结构为研究对象，通过模拟风荷载时程，计算输电塔结构最危险杆件，对杆件应力采用雨流计数法来模拟应力时程，结合损伤容限理论和断裂力学理论，提出了计算输电塔疲劳寿命的方法，结果表明输电塔结构杆件的疲劳破坏对于输电塔整体寿命有重要影响。Repetto 等[9]对风荷载作用下细长垂直结构的风振疲劳进行了一系列研究，采用考虑概率分布的方法确定了应力循环的柱状图，得到结构的累积损伤和疲劳寿命。陈文灿等[10]开发了输电杆塔塔脚腐蚀现场实时监测系统并进行了实际应用。

以上研究主要是结合某一实际输电塔，采用有限元建模来模拟风荷载，进而研究输电塔杆件的疲劳破坏和剩余寿命。然而，对真实的输电塔结构进行杆件和整体的实时应力应变监测研究较少，相关的疲劳寿命预测方法也有待验证和改进。鉴于此，本文采用现场输电塔实际应变监测数据，开展输电塔典型杆件疲劳损伤性能评估和剩余寿命预测的研究，为输电塔杆件的疲劳破坏研究提供改进方法和技术支撑。

1 试验概况

本文以浙江省丽水市某220 kV 直线塔为研究对象，塔高44 m，呼高28 m，输电塔杆件为Q345L 型角钢，杆件之间均采用螺栓连接。通过研究输电塔有限元模拟的应力应变云图以及真实输电塔倒塌事故中杆件破坏位置，总结了输电塔在风致作用下整体受力以及应力应变的分布情况。结合具体输电塔实际情况，在该输电塔上安装了一套具有数据无线传输功能的结构应变监测系统。传感器具体布置方案如下：沿输电塔4 m，16 m，28 m，31 m，34 m 和40 m 高度处的主材、支撑斜材和横担上布置了共20 个振弦式应变计。输电塔振弦式应变计布置如图1 所示，不同高度振弦式应变计分布如表1 所示。

图1 输电塔振弦式应变计布置

表1 不同高度振弦式应变计分布

本研究重点监测了输电塔塔腿处（4 m）、1/3高度处（16 m）以及第一个横担处（28 m）的应力应变情况。塔腿位置的振弦式应变计与输电塔杆件采用点焊的连接方式，其他部位的振弦式应变计与输电塔杆件均采用云石胶连接。振弦式应变计精度为F.s±0.1%，量程为1 500 με，能够暴露在自然环境下正常工作。现场振弦式应变计安装如图2 所示。振弦式应变计通过信号线与定制的应变采集仪连接，考虑到输电塔结构大都位于较偏远的地带，现场存取实时的监测数据十分不便，本研究应用数据无线传输技术实现数据的读取与存储。

图2 现场振弦式应变计安装

将应变采集仪接入无线传输系统，无线传输系统包括高速通用采集模块和DTU（数据传输单元）网络传输模块。高速通用采集模块是一种自动搜索、自动巡检的信息采集设备，可以同时接入多个振弦式应变计。DTU 网络传输模块是一种利用网络实现远程传输信号的网络传输设备，将其与高速通用采集模块连接，可以将传感器数据传输至云平台。相关的无线传输系统结构如图3所示，实际数据采集系统如图4 所示。

图3 无线传输系统结构

图4 数据采集系统

在云平台上可以实时查看振弦式应变计监测数据情况，实现所有监测数据的保存备份、调用查看和下载，还可以根据不同的天气状况和气候条件在后台远程修改对应的振弦式应变计采集频率和应变变化阈值，实现预警功能。采集仪和无线传输系统均由独立安装的太阳能供电系统提供能源。正常监测期间振弦式应变计的采集频率为0.1 Hz。

2 输电塔典型通道应变监测数据获取

在完成所有振弦式应变计的安装和云平台的调试后，对已采集的典型通道应变数据进行统计分析，可以得到输电塔关键受力杆件的应变时程。由于极端气候（如低温或台风）下的应变数据需要专门处理，在进行基本疲劳寿命预测时主要考虑正常条件下的数据。鉴于2020 年8 月的监测数据最为完整且无极端天气的影响，选取该时间段数据进行分析，得到4 m 高（塔腿）斜材杆件、4 m 高（塔腿）主材杆件、16 m 高（1/3 高度）主材杆件、16 m 高（1/3 高度）斜材杆件、28 m 高（横担）主材杆件、40 m 高（塔头）主材杆件的应变时程曲线，如图5 所示。在风荷载及其他环境因素的作用下，包括杆件应变在内的结构动力响应与风荷载幅值有密切关系，但也具有明显的随机性和非平稳性。其中主材的应变变化比较剧烈，需要进行重点监测。可以采用阈值预警、比对分析、统计分析等方法对监测数据进行基本处理，但同时也需要利用时域和频域的疲劳计算方法进行杆件和结构的疲劳性能和剩余寿命分析。

图5 输电塔关键受力杆件的应变时程曲线

3 基于雨流计数法的整体寿命分析

为了计算输电塔的疲劳应力，需要确定输电杆塔的初始应力。可以通过有限元分析对该杆塔在重力荷载和风荷载作用下的初始变形进行数值模拟仿真计算，最终为基于雨流计数法的输电塔整体寿命分析提供基本依据。本文选用ANSYS 有限元软件建立输电塔模型，采用Link180 单元模拟输电塔杆件斜支撑，采用Beam188 单元模拟输电塔杆件主材，杆件截面均采用L 型钢，塔腿边界条件由竖向、横向和纵向约束体系构成，3 个方向均采用固定支座边界条件进行模拟。输电塔整体的有限元模型如图1 所示。通过有限元分析得到4 m 高（塔腿）主材杆件、16 m 高（1/3 高度）主材杆件、28 m 高（横担）主材杆件、40 m 高（塔头）主材杆件的初始应力分别为36 MPa，35.5 MPa，35.3 MPa 和35.2 MPa。

采用雨流计数法计算关键杆件的疲劳寿命，其基本原理如图6 所示。将荷载时间坐标轴定为向下，假定应力时程类似雨流，从内侧往下流，基于流动情况对各应力幅进行整理，根据雨流迹线确定荷载循环。按正、负斜率取出所有的半循环，提取每个半循环的起点和终点，以每次雨流的水平长度作为该循环的幅值，并根据幅值得到不同幅值区间内的频次，形成雨流计数法均幅矩阵载荷谱。

图6 雨流计数法原理

根据载荷谱中应力幅值、应力均值与对应频次的关系，可采用基于连续损伤动力学的疲劳损伤模型[11]来计算结构的等效应力幅：

式中：Δσef为等效应力幅；ni为应力幅Δσi的循环次数；NT为循环总次数；σmi为第i 次循环的平均应力；β 为材料参数，与材料和应力比有关。

结构的等效应力Δσ 为：

式中：Δσ 为结构的等效应力；Δσ0为结构的初始应力。

等效应力下的循环次数N 为[12]：

根据等效循环次数n 反推对应N 的使用年限LA：

得到剩余寿命为：

式中：L 为结构剩余寿命；LS为结构目前的服役年数。

4 整体结构的加权损伤和寿命计算

在对输电塔典型部位构件进行寿命计算后，考虑输电塔不同部位的受力情况以及重要程度，通过专家经验评估法和层次分析法确定4 m 高（塔腿）部位、16 m 高（1/3 高度）部位、28 m 高（横担）部位、40 m 高（塔头）部位不同的权重系数，分别取为0.4，0.3，0.2，0.1。计算输电塔整体的剩余寿命：

式中：LF为输电塔结构整体剩余寿命；L1，L2，L3，L4分别为4 m 高（塔腿）部位、16 m高（1/3 高度）部位、28 m 高（横担）部位、40 m 高（塔头）部位杆件的剩余寿命。经过校核，相关权重系数适当波动后并不影响结果的合理性。

在实际输电塔工程中，可通过振弦式应变计采集自然环境荷载作用下输电塔结构典型部位的应变时程数据，通过钢材的弹性模量将杆件的应变时程数据转化为应力时程数据，应用雨流计数法可以得到关键杆件的有效应力幅和等效循环次数，根据有限元数值模拟方法获得考虑重力及输电线影响的输电塔不同部位的初始应力，计算出输电塔的整体剩余寿命。图7 为应用雨流计数法得到的不同关键杆件部位的雨流计数矩阵图。

图7 输电塔典型部位杆件的雨流计数矩阵图

通过雨流计数法计算得到4 m高（塔腿）部位、16 m 高（1/3 高度）部位、28 m高（横担）部位、40 m 高（塔头）部位杆件的有效应力幅分别为3.575 8 MPa，3.604 0 MPa，3.313 2 MPa 及3.591 3 MPa，对应的杆件剩余寿命分别为95.98 年、98.98年、102.20 年、101.02 年。最终，根据式（6）得到输电塔整体剩余寿命为98.67 年。

从计算结果中可以看出：输电塔在自然环境风致作用下，其整体疲劳寿命符合设计预期和工程需求，但4 m 高（塔腿）部位、16 m 高（1/3 高度）部位的剩余寿命相对较短，因此，应该多关注环境因素下塔腿部位的损伤疲劳破坏。

5 结语

针对目前输电杆塔的实测应变较少而无法实现疲劳寿命预测的不足，本文以某真型塔为监测对象，获取实测应变数据。利用雨流计数法和基于连续损伤动力学的疲劳损伤模型理论，计算输电塔典型杆件的疲劳寿命，考虑到输电塔在正常使用环境下的不同受力状态以及重要程度，给定不同部位杆件的寿命计算权重系数，进而得到输电塔整体结构的剩余寿命。结果表明：在正常使用环境下输电塔应力较小，其应力幅在安全范围之内，且整体剩余寿命符合工程要求。此外，在对输电塔进行应力应变健康监测以及疲劳破坏分析时，要重点关注输电塔塔腿部位，对其进行长期监测具有重要意义。关于极端条件下的输电杆塔寿命预测需要结合相关监测数据另行研究。