基于時頻分布的桅桿結(jié)構(gòu)損傷識別方法及試驗研究.pdf

1、作為一類典型的高聳塔-線耦合結(jié)構(gòu)，桅桿在國民經(jīng)濟建設(shè)和重要生命線工程中有著廣泛應(yīng)用。然而，在正常設(shè)計﹑施工和使用條件下，桅桿結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的比例之高在土木工程界是非常少見的，這一現(xiàn)象已經(jīng)引起設(shè)計人員的高度關(guān)注。從大量桅桿結(jié)構(gòu)破壞實例分析看，絕大部分事故都發(fā)生在風(fēng)速不大的情況下。實際工程結(jié)構(gòu)檢測也發(fā)現(xiàn)，桅桿結(jié)構(gòu)的構(gòu)件和連接節(jié)點經(jīng)常存在著由復(fù)雜風(fēng)激振動、環(huán)境和施工等因素引起的損傷，導(dǎo)致構(gòu)件或節(jié)點的實際承載力下降，造成桅桿在荷載遠未達到設(shè)計值的

2、條件下突然發(fā)生破壞。如果能通過早期檢測發(fā)現(xiàn)損傷的位置和程度，就可以延長結(jié)構(gòu)的使用壽命、減少災(zāi)害性突發(fā)事故。因此，桅桿結(jié)構(gòu)的損傷識別與檢測方法研究對提高重要生命線工程結(jié)構(gòu)的安全性具有重要意義。 引起桅桿結(jié)構(gòu)損傷的因素非常復(fù)雜，單純通過理論分析來準確地預(yù)測結(jié)構(gòu)損傷，或者逐一對大量位于高空構(gòu)件和連接節(jié)點進行局部探傷，在實際工程應(yīng)用中都存在極大的困難。近年來，數(shù)值分析理論、測試技術(shù)和信號分析方法的發(fā)展，使得基于振動信號的結(jié)構(gòu)損傷識別與檢

3、測技術(shù)（Damage Identification）成為可能。研究表明，桅桿是一個非常復(fù)雜的耦合體系，其模態(tài)參數(shù)和剛度除依賴于纖繩平衡張力外，還與激勵和環(huán)境條件有關(guān)，這一特性導(dǎo)致目前比較有效的工程結(jié)構(gòu)損傷識別方法和指標在塔-線結(jié)構(gòu)損傷識別和檢測中難以直接應(yīng)用。目前，國內(nèi)外針對桅桿結(jié)構(gòu)損傷識別與檢測的研究仍處于初始階段，有關(guān)的研究工作仍主要集中在結(jié)構(gòu)風(fēng)振試驗研究或地震作用的影響上。國家標準《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和電力部《架空送電線路設(shè)計技術(shù)

4、規(guī)程》對設(shè)計中如何考慮這一問題也未做相應(yīng)規(guī)定。 桅桿屬空間預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，纖繩的平衡張力對整個結(jié)構(gòu)的振動特性有著顯著的影響。本文基于索的連續(xù)偏微分方程，給出了纖繩基本振動特性和剛度的分析方法。采用多節(jié)點索元擬合纖繩空間振動，推導(dǎo)了增量形式的桅桿動力有限元方程。為避免桅桿有限元建模過程中因結(jié)構(gòu)變形造成纖繩平衡張力損失，提出了纖繩初張力識別方法，使得所建立的有限元模型能更好地反映原型結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)特征。該方法具有良好的實用性，在實測數(shù)據(jù)

5、完備的條件下，可以直接確定有限元模型中纖繩需要施加的初應(yīng)變；在實測數(shù)據(jù)不完備和存在測量誤差的條件下，仍可獲得滿足工程應(yīng)用精度要求的纖繩初應(yīng)變識別結(jié)果，并可借助尋優(yōu)目標值對平均測量誤差進行估計。對涪陵中波導(dǎo)航桅桿的基本振動特性和動態(tài)響應(yīng)的數(shù)值模擬分析指出，突卸荷載激勵下基于單桅桿模型的模態(tài)和響應(yīng)譜分析結(jié)果與雙桅桿全跨模型的分析結(jié)果基本吻合，且具有計算量小的優(yōu)點；而風(fēng)激勵下則需要采用雙桅桿全跨模型分析才能更準確地反映結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)特性。

6、 桅桿的模態(tài)參數(shù)對預(yù)應(yīng)力參數(shù)、激勵和環(huán)境條件比較敏感，探索基于測點振動響應(yīng)分析而不依賴于模態(tài)信息的桅桿結(jié)構(gòu)損傷識別技術(shù)就顯得尤其必要。為此，本文首次提出了基于Wigner-Ville分布交叉項及其一階統(tǒng)計量 識別桅桿結(jié)構(gòu)損傷的新方法。該指標不需要測量結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，可直接計算，具有良好的實用性?；陔p音調(diào)信號的分析指出，新的損傷識別指標 對信號結(jié)構(gòu)改變十分敏感，不易受到環(huán)境噪聲和干擾的影響。結(jié)構(gòu)損傷算例數(shù)值分析進一步表明，測點響應(yīng)的

7、時-頻分布特征對較大結(jié)構(gòu)損傷具有表征作用，但對較小結(jié)構(gòu)損傷不敏感；而損傷識別指標 除對較小的桿身損傷比較敏感外，還能夠分辯出其它指標無法識別的纖繩損傷特征。通過增大激勵的幅值和提高纖繩的靜應(yīng)力，可以提高識別的精度和指標對損傷的敏感程度；而在其它條件相同時，基于測點位移響應(yīng)與基于測點加速度響應(yīng)的損傷識別指標 相比具有更好的損傷識別效果。 為了驗證本文所提出的桅桿結(jié)構(gòu)損傷識別基本方法和新?lián)p傷識別指標，在國內(nèi)率先開展了桅桿結(jié)構(gòu)損傷檢測

8、試驗研究。試驗中，首先對涪陵導(dǎo)航桅桿的基本振動特性和不同荷載激勵下的動力響應(yīng)進行了實測，實測數(shù)據(jù)時-頻分析揭示出桅桿結(jié)構(gòu)剛度具有時變的特征。在損傷檢測試驗中，通過松動弦桿連接法蘭上的螺栓來模擬結(jié)構(gòu)損傷，對損傷前后桅桿在突卸荷載激勵、環(huán)境激勵下的動力響應(yīng)分別進行了試驗測試。試驗數(shù)據(jù)分析指出，在突卸荷載、環(huán)境激勵下指標 均能有效地識別桅桿結(jié)構(gòu)的局部損傷，表明所提出的損傷識別方法應(yīng)用于時變結(jié)構(gòu)時具有很多優(yōu)越性，損傷識別所揭示的規(guī)律與前述理論分