基于時頻分布的桅桿結構損傷識別方法及試驗研究.pdf

1、作為一類典型的高聳塔-線耦合結構，桅桿在國民經濟建設和重要生命線工程中有著廣泛應用。然而，在正常設計﹑施工和使用條件下，桅桿結構發(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)象已經引起設計人員的高度關注。從大量桅桿結構破壞實例分析看，絕大部分事故都發(fā)生在風速不大的情況下。實際工程結構檢測也發(fā)現(xiàn)，桅桿結構的構件和連接節(jié)點經常存在著由復雜風激振動、環(huán)境和施工等因素引起的損傷，導致構件或節(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，就可以延長結構的使用壽命、減少災害性突發(fā)事故。因此，桅桿結構的損傷識別與檢測方法研究對提高重要生命線工程結構的安全性具有重要意義。 引起桅桿結構損傷的因素非常復雜，單純通過理論分析來準確地預測結構損傷，或者逐一對大量位于高空構件和連接節(jié)點進行局部探傷，在實際工程應用中都存在極大的困難。近年來，數(shù)值分析理論、測試技術和信號分析方法的發(fā)展，使得基于振動信號的結構損傷識別與檢

3、測技術（Damage Identification）成為可能。研究表明，桅桿是一個非常復雜的耦合體系，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，這一特性導致目前比較有效的工程結構損傷識別方法和指標在塔-線結構損傷識別和檢測中難以直接應用。目前，國內外針對桅桿結構損傷識別與檢測的研究仍處于初始階段，有關的研究工作仍主要集中在結構風振試驗研究或地震作用的影響上。國家標準《高聳結構設計規(guī)范》和電力部《架空送電線路設計技術

4、規(guī)程》對設計中如何考慮這一問題也未做相應規(guī)定。 桅桿屬空間預應力結構，纖繩的平衡張力對整個結構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構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構的振動響應特征。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用精度要求的纖繩初應變識別結果，并可借助尋優(yōu)目標值對平均測量誤差進行估計。對涪陵中波導航桅桿的基本振動特性和動態(tài)響應的數(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)和響應譜分析結果與雙桅桿全跨模型的分析結果基本吻合，且具有計算量小的優(yōu)點；而風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構的動態(tài)響應特性。

6、 桅桿的模態(tài)參數(shù)對預應力參數(shù)、激勵和環(huán)境條件比較敏感，探索基于測點振動響應分析而不依賴于模態(tài)信息的桅桿結構損傷識別技術就顯得尤其必要。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 識別桅桿結構損傷的新方法。該指標不需要測量結構的模態(tài)參數(shù)，可直接計算，具有良好的實用性。基于雙音調信號的分析指出，新的損傷識別指標 對信號結構改變十分敏感，不易受到環(huán)境噪聲和干擾的影響。結構損傷算例數(shù)值分析進一步表明，測點響應的

7、時-頻分布特征對較大結構損傷具有表征作用，但對較小結構損傷不敏感；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，基于測點位移響應與基于測點加速度響應的損傷識別指標 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構損傷識別基本方法和新?lián)p傷識別指標，在國內率先開展了桅桿結構損傷檢測

8、試驗研究。試驗中，首先對涪陵導航桅桿的基本振動特性和不同荷載激勵下的動力響應進行了實測，實測數(shù)據(jù)時-頻分析揭示出桅桿結構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構損傷，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構的局部損傷，表明所提出的損傷識別方法應用于時變結構時具有很多優(yōu)越性，損傷識別所揭示的規(guī)律與前述理論分