适用于装配式砼钢混合塔筒的监测方法

技术领域

本发明涉及风电塔筒检测技术领域，特别涉及适用于装配式砼钢混合塔筒的监测方法。

背景技术

随着风能技术的成熟，风电项目逐渐向低风速、更高轮毂高度发展，高风塔对支撑结构的强度和刚度提出了更高的要求。砼钢混合塔筒是预制混凝土塔和体外预应力技术相结合的产物，由预制预应力混凝土筒段和顶部钢筒转接段组成，相比于传统塔筒，在运输、施工和结构效率的综合指标上有更大优势。

砼钢混合塔筒采用装配形式，通过工厂预制塔筒管节，现场逐节拼装，最后通过预应力锚索张拉锚固等方式构成整个风机塔筒结构。筒节之间无钢筋直接连接，依靠钢绞线预紧力压紧，与传统风机塔筒受力机理有明显差异。目前国内外对装配式体外预应力砼钢混合塔筒的研究尚处于探索阶段，对塔筒进行健康监测对于混合塔筒的运行和维护具有重要的意义。

因此，如何实现对塔筒的健康监测成为本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供适用于装配式砼钢混合塔筒的监测方法，实现的目的是通过多个测点的布置，得到塔筒的基频、内力水平、变形情况等，当上述变量出现异常时，监测系统发出预警，从而实现对塔筒的健康监测。

为实现上述目的，本发明公开了适用于装配式砼钢混合塔筒的监测方法，包括设置在塔筒上的多个检测点；多个所述检测点中包括多个塔身应变计测点、多个锚索计测点、多个水准仪测点和两个水平仪测点；

每一所述锚索计测点均采用智能弦式锚索计对预应力钢绞线拉力进行测量，均安装在锚垫板和锚具中间，布置在所述塔筒外侧壁的迎主风向、背主风向以及垂直于主风向的两侧；

多个所述塔身应变计测点分别布置在所述塔筒外侧壁的5m、40m、72m和128m共计4个高度上；

所述塔筒外侧壁每个高度的多个所述塔身应变计测点均以主风向为轴线两两对称布置；

多个所述水准仪测点均布置在所述塔筒外侧壁的5m的高度上，分别布置在迎主风向、背主风向以及垂直于主风向的两侧；

所有设置在所述水准仪测点的水准仪均通过连通水管连接成一个系统，以获得每两个所述水准仪测点之间的先对沉降；

两个所述水平仪测点分别设置在所述塔筒的塔座以及塔筒轮毂高度处的迎主风向；

检测流程如下：

步骤1、通过读取所有所述塔身应变计测点的数值，得到所有的所述塔身应变计测点的应变时程曲线，对所述塔筒的应变水平监控；

步骤2、根据每一所述塔身应变计测点的所述应变时程曲线，得到每一所述塔身应变计测点的频域变化曲线，从而识别出所述塔身的基频；

所述塔身的基频是否在叶片旋转频率至叶片通过频率之间；

当所述塔身的基频超出叶片旋转频率至叶片通过频率之间之间时，表示所述塔身出现了损伤；

步骤3、根据本构关系，通过每一所述塔身应变计测点的所述应变时程曲线得到所述塔筒的应力，然后基于平截面假定，得到塔筒内力，当所述塔筒内力超过设计值时，对塔筒进行预警；

步骤4、根据每一所述锚索计测点采集到的数据，得到相应的所述预应力钢绞线拉力的拉力值，与步骤3所得的所述塔筒内力互相印证，同时根据每一所述预应力钢绞线拉力的拉力值得到相应的所述预应力钢绞线拉力的自振频率；

步骤5、通过多个水准仪测点的水准仪测得基础的沉降和倾斜；

步骤6、通过两个所述水平仪测点的水平仪测出所述塔筒在所述塔座以及所述塔筒轮毂高度处的倾角，从而获得塔筒轮毂高度处的水平位移。

优选的，步骤3包括如下步骤：

步骤3.1、在静风停机时刻，即所述塔筒只承受竖向荷载，无水平荷载时刻，选取任一高度的多个所述塔身应变计测点的计数值作为基准点，分别为ε

则所述塔筒的基准竖向载荷N＝AE(ε

其中，A为塔筒横截面面积，E为混凝土弹性模量；

步骤3.2、在风电运行时，根据每一所述塔身应变计测点的当前计数值ε

Δσ

E为混凝土弹性模量；

步骤3.3、根据步骤3.2的结果计算每一所述塔身应变计测点相应的弯矩M

M

W为所计算截面的抗弯模量。

优选的，步骤4包括如下步骤：

步骤4.1、在静风停机时刻，即所述塔筒只承受竖向荷载，无水平荷载时刻，选取每一预应力钢绞线上所有锚索计测点采集的数据作为基准值，分别为N

根据以下公式计算所述塔筒所受竖向荷载N：

其中，N

N

步骤4.2、在风电运行时，根据每一所述锚索计测点获得的实时数据N

ΔN

步骤4.3、根据步骤4.2的结果计算每一所述锚索计测点获得的实时数据N

ΔM

其中，y

根据以下公式计算所述塔筒的弯矩M：

M＝M

其中，M

N

∑ΔM

步骤4.3、每一所述预应力钢绞线的拉力与其一阶自振频率的关系均为T＝4×m×L

其中，m为钢绞线线质量，L为钢绞线从基础锚固位置到钢绞线转折处的长度；

根据上述公式计算自振频率f，获得每一所述预应力钢绞线是否处于正常工作状态。

优选的，步骤5具体如下：

选取垂直于主风向的所述水准仪测点为基准点，其余三个所述水准仪测点分别与基准点的数值取差值，得到沿主风向风机基础的相对沉降和垂直于主风向风机基础的相对沉降。

优选的，步骤6具体如下：

通过两个设置所述水平仪测点的水平仪测出所述塔筒在水平面内沿塔筒径向和切向的倾角；

所述塔座和所述塔筒轮毂高度处两个水平仪在同一方向的差值即为该方向内塔筒轮毂高度处相对于塔座的倾角，获得所述塔筒在轮毂高度的水平位移。

本发明的有益效果：

本发明通过多个测点的布置，得到塔筒的基频、内力水平、变形情况等，当上述变量出现异常时，监测系统发出预警，从而实现对塔筒的健康监测。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1示出本发明一实施例中塔筒的结构示意图。

图2示出本发明一实施例中塔身应变计测点布置在图1中AA、BB、CC、DD四个高度平面上的结构示意图。

图3示出本发明一实施例中锚索计测点布置在塔筒的横截面示意图。

图4示出本发明一实施例中水准仪测点布置在塔筒的横截面示意图。

图5示出本发明一实施例中两个水平仪测点布置在图1中AA和DD两个高度平面上的结构示意图。

具体实施方式

实施例

如图1至图5所示，适用于装配式砼钢混合塔筒的监测方法，包括设置在塔筒1上的多个检测点；多个检测点中包括多个塔身应变计测点2、多个锚索计测点3、多个水准仪测点4和两个水平仪测点5；

每一锚索计测点3均采用智能弦式锚索计对预应力钢绞线拉力进行测量，均安装在锚垫板和锚具中间，布置在塔筒1外侧壁的迎主风向、背主风向以及垂直于主风向的两侧；

多个塔身应变计测点2分别布置在塔筒1外侧壁的5m、40m、72m和128m共计4个高度上；

塔筒1外侧壁每个高度的多个塔身应变计测点2均以主风向为轴线两两对称布置；

多个水准仪测点4均布置在塔筒1外侧壁的5m的高度上，分别布置在迎主风向、背主风向以及垂直于主风向的两侧；

所有设置在水准仪测点4的水准仪均通过连通水管连接成一个系统，以获得每两个水准仪测点4之间的先对沉降；

两个水平仪测点5分别设置在塔筒1的塔座以及塔筒1轮毂高度处的迎主风向；

检测流程如下：

步骤1、通过读取所有塔身应变计测点2的数值，得到所有的塔身应变计测点2的应变时程曲线，对塔筒1的应变水平监控；

步骤2、根据每一塔身应变计测点2的应变时程曲线，得到每一塔身应变计测点2的频域变化曲线，从而识别出塔身的基频；

所述塔身的基频是否在叶片旋转频率至叶片通过频率之间；

当所述塔身的基频超出叶片旋转频率至叶片通过频率之间之间时，表示所述塔身出现了损伤；

步骤3、根据本构关系，通过每一塔身应变计测点2的应变时程曲线得到塔筒1的应力，然后基于平截面假定，得到塔筒1内力，当塔筒1内力超过设计值时，对塔筒1进行预警；

步骤4、根据每一锚索计测点3采集到的数据，得到相应的预应力钢绞线拉力的拉力值，与步骤3所得的塔筒1内力互相印证，同时根据每一预应力钢绞线拉力的拉力值得到相应的预应力钢绞线拉力的自振频率；

步骤5、通过多个水准仪测点4的水准仪测得基础的沉降和倾斜；

步骤6、通过两个水平仪测点5的水平仪测出塔筒1在塔座以及塔筒1轮毂高度处的倾角，从而获得塔筒1轮毂高度处的水平位移。

在实际应用中，当塔筒1外风向为主风向时，迎主风向的锚索计测值最大，背主风向的锚索计测值最小，垂直于主风向两侧的锚索计测值位于中间值，且两者基本一致，这种测点布置能充分反映在主风向情况下塔筒1的受力状态，具有更加显著的代表性和可研究性。

上述多个塔身应变计测点2的布置位置在风向为主风向时，沿主风向对称的两应变计测值基本一致，可互相印证。这种测点布置可充分反映塔身截面受拉区应变和受压区应变，且可自我印证，在不同高度测点布置可充分反映不同高度塔筒1段的应变水平。

考虑到基础沿主风向的沉降较大，而垂直于主风向的测点沉降较小，选取垂直于主风向的测点为基准点，可分别得到沿主风向风机基础的相对沉降和垂直于主风向风机基础的相对沉降。

两个水平仪测点5的设置则是为了充分反映主风向时塔筒1顶端和底部的转角。

塔身的基频是否超出叶片旋转频率至叶片通过频率之间来监测塔身是否出现损伤的方法虽较为粗略，但可以节约监测成本。

在某些实施例中，步骤3包括如下步骤：

步骤3.1、在静风停机时刻，即塔筒1只承受竖向荷载，无水平荷载时刻，选取任一高度的多个塔身应变计测点2的计数值作为基准点，分别为ε

则塔筒1的基准竖向载荷N＝AE(ε

其中，A为塔筒横截面面积，E为混凝土弹性模量；

步骤3.2、在风电运行时，根据每一塔身应变计测点2的当前计数值ε

Δσ

其中，E为混凝土弹性模量。

步骤3.3、根据步骤3.2的结果计算每一塔身应变计测点2相应的弯矩M

M

W为所计算截面的抗弯模量；

在某实施例中，步骤4包括如下步骤：

步骤4.1、在静风停机时刻，即塔筒1只承受竖向荷载，无水平荷载时刻，选取每一预应力钢绞线上所有锚索计测点3采集的数据作为基准值，分别为N

根据以下公式计算塔筒1所受竖向荷载N：

其中，N

N

步骤4.2、在风电运行时，根据每一锚索计测点3获得的实时数据N

ΔN

步骤4.3、根据步骤4.2的结果计算每一锚索计测点3获得的实时数据N

ΔM

其中，y

根据以下公式计算塔筒1的弯矩M：

M＝M

其中，M

N

∑ΔM

步骤4.3、每一预应力钢绞线的拉力与其一阶自振频率的关系均为T＝4×m×L

其中，m为钢绞线线质量，L为钢绞线从基础锚固位置到钢绞线转折处的长度；

根据上述公式计算自振频率f，获得每一预应力钢绞线是否处于正常工作状态。

在实际应用中，由于锚索计测点3是两两对称布置的，除了迎主风向和背主风向的两个锚索计测点3，其它关于主风向对称布置每一组锚索计测点3是，在主风向风荷载作用下，数值应基本一致，且接近于静风停机状态时的数值，从而可以互相印证数据的有效性。

通常通过四个测点的布置，可得到任意风向时塔身截面的弯矩。

本步骤所得弯矩还可与步骤3中所得弯矩互相印证。

在某些实施例中，步骤5具体如下：

选取垂直于主风向的水准仪测点4为基准点，其余三个水准仪测点4分别与基准点的数值取差值，得到沿主风向风机基础的相对沉降和垂直于主风向风机基础的相对沉降。

在某些实施例中，步骤6具体如下：

通过两个设置水平仪测点5的水平仪测出塔筒1在水平面内沿塔筒径向和切向的倾角；

塔座和塔筒1轮毂高度处两个水平仪在同一方向的差值即为该方向内塔筒1轮毂高度处相对于塔座的倾角，获得塔筒1在轮毂高度的水平位移。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。