基于時(shí)頻分布的桅桿結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法及試驗(yàn)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(guó)民經(jīng)濟(jì)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(jì)﹑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(jiàn)的，這一現(xiàn)象已經(jīng)引起設(shè)計(jì)人員的高度關(guān)注。從大量桅桿結(jié)構(gòu)破壞實(shí)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(shí)際工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)也發(fā)現(xiàn)，桅桿結(jié)構(gòu)的構(gòu)件和連接節(jié)點(diǎn)經(jīng)常存在著由復(fù)雜風(fēng)激振動(dòng)、環(huán)境和施工等因素引起的損傷，導(dǎo)致構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)的實(shí)際承載力下降，造成桅桿在荷載遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)值的

2、條件下突然發(fā)生破壞。如果能通過(guò)早期檢測(cè)發(fā)現(xiàn)損傷的位置和程度，就可以延長(zhǎng)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(shí)別與檢測(cè)方法研究對(duì)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(guò)理論分析來(lái)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)損傷，或者逐一對(duì)大量位于高空構(gòu)件和連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部探傷，在實(shí)際工程應(yīng)用中都存在極大的困難。近年來(lái)，數(shù)值分析理論、測(cè)試技術(shù)和信號(hào)分析方法的發(fā)展，使得基于振動(dòng)信號(hào)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與檢

3、測(cè)技術(shù)（Damage Identification）成為可能。研究表明，桅桿是一個(gè)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(lì)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(shí)別方法和指標(biāo)在塔-線結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別和檢測(cè)中難以直接應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)桅桿結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與檢測(cè)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(yàn)研究或地震作用的影響上。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和電力部《架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)

4、規(guī)程》對(duì)設(shè)計(jì)中如何考慮這一問(wèn)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(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)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(dòng)特性和剛度的分析方法。采用多節(jié)點(diǎn)索元擬合纖繩空間振動(dòng)，推導(dǎo)了增量形式的桅桿動(dòng)力有限元方程。為避免桅桿有限元建模過(guò)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(shí)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(dòng)響應(yīng)特征。該方法具有良好的實(shí)用性，在實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不完備和存在測(cè)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(shí)別結(jié)果，并可借助尋優(yōu)目標(biāo)值對(duì)平均測(cè)量誤差進(jìn)行估計(jì)。對(duì)涪陵中波導(dǎo)航桅桿的基本振動(dòng)特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的數(shù)值模擬分析指出，突卸荷載激勵(lì)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(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn)；而風(fēng)激勵(lì)下則需要采用雙桅桿全跨模型分析才能更準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

6、 桅桿的模態(tài)參數(shù)對(duì)預(yù)應(yīng)力參數(shù)、激勵(lì)和環(huán)境條件比較敏感，探索基于測(cè)點(diǎn)振動(dòng)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(shí)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(xiàng)及其一階統(tǒng)計(jì)量 識(shí)別桅桿結(jié)構(gòu)損傷的新方法。該指標(biāo)不需要測(cè)量結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，可直接計(jì)算，具有良好的實(shí)用性?；陔p音調(diào)信號(hào)的分析指出，新的損傷識(shí)別指標(biāo) 對(duì)信號(hào)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(jìn)一步表明，測(cè)點(diǎn)響應(yīng)的

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

8、試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中，首先對(duì)涪陵導(dǎo)航桅桿的基本振動(dòng)特性和不同荷載激勵(lì)下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)-頻分析揭示出桅桿結(jié)構(gòu)剛度具有時(shí)變的特征。在損傷檢測(cè)試驗(yàn)中，通過(guò)松動(dòng)弦桿連接法蘭上的螺栓來(lái)模擬結(jié)構(gòu)損傷，對(duì)損傷前后桅桿在突卸荷載激勵(lì)、環(huán)境激勵(lì)下的動(dòng)力響應(yīng)分別進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析指出，在突卸荷載、環(huán)境激勵(lì)下指標(biāo) 均能有效地識(shí)別桅桿結(jié)構(gòu)的局部損傷，表明所提出的損傷識(shí)別方法應(yīng)用于時(shí)變結(jié)構(gòu)時(shí)具有很多優(yōu)越性，損傷識(shí)別所揭示的規(guī)律與前述理論分