高京京 方有亮

高壓輸電系統(tǒng)是電力工業(yè)中一個(gè)不可或缺的重要組成部分,輸電線系統(tǒng)的破壞會(huì)給社會(huì)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重的后果,所以對輸電鐵塔的損傷檢測和健康監(jiān)測是非常必要的。結(jié)構(gòu)損傷診斷自提出到現(xiàn)在,方法很多,如損傷指標(biāo)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。在損傷指標(biāo)法中,用于損傷定位的指標(biāo)大致分為兩大類:基于靜態(tài)特性的損傷指標(biāo)和基于動(dòng)態(tài)特性的損傷指標(biāo)[1-4]。本文分析了塔架損傷前后頻率和振型的變化,并利用振型改變率作為指標(biāo),從數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證兩個(gè)方面對塔架的損傷識別進(jìn)行了研究。

1 檢測原理

結(jié)構(gòu)的損傷檢測主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容:結(jié)構(gòu)損傷的檢測、結(jié)構(gòu)損傷的定位及結(jié)構(gòu)損傷程度的標(biāo)定與評價(jià)。

對自由振動(dòng)(f=0),上式可寫成:

對無阻尼體系(c=0),結(jié)構(gòu)的特征方程為:

其中,K為結(jié)構(gòu)的剛度矩陣;M為質(zhì)量矩陣;ω為結(jié)構(gòu)的固有頻率;φ為模態(tài)振型,φ=[φ1,φ2,φ3,…,φN] 。

振型相比頻率來說,包含更多的損傷信息,利用振型來識別損傷有兩種途徑:1)直接利用結(jié)構(gòu)損傷前后的振型變化來識別損傷;2)由振型構(gòu)造結(jié)構(gòu)損傷標(biāo)識量,由標(biāo)識量的變化或其取值來識別損傷。本文利用第一階振型改變率(用R表示)來識別結(jié)構(gòu)的損傷。結(jié)構(gòu)第一階振型改變率為損傷結(jié)構(gòu)的第一階振型和完好結(jié)構(gòu)的第一階振型對應(yīng)點(diǎn)的比值。R=φd/φ。本文利用該指標(biāo)來對結(jié)構(gòu)的損傷診斷進(jìn)行研究。

2 數(shù)值模擬

如圖1所示的高壓線塔結(jié)構(gòu),高3.6 m,分為 4層,底層有一橫擔(dān),其底面與頂面為長方形,全塔由兩種型號的角鋼組成,分別為30 mm×30 mm×3 mm的角鋼和25 mm×25 mm×2 mm的角鋼。該桁架共有20個(gè)節(jié)點(diǎn),彈性模量 EX=210 GPa,泊松比為0.3。該結(jié)構(gòu)固定在地面上,即最底層的4個(gè)節(jié)點(diǎn)位移始終為0,分析時(shí)只考慮上部的16個(gè)節(jié)點(diǎn)。

利用Ansys軟件對該結(jié)構(gòu)建模并分析,在不同損傷工況下,得到頻率的分析結(jié)果如表1所示。

表1 計(jì)算結(jié)果

由表1可以看出,隨著損傷程度的增大,結(jié)構(gòu)的頻率呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢,這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)損傷后柔度增大的緣故。

結(jié)構(gòu)完好和損傷后在振型上也有所差別,下面以結(jié)構(gòu)底層損傷4根的工況為例,取前兩階振型,如圖2所示。

從圖2可以看到,損傷前后的振型有很大變化,發(fā)生損傷部位節(jié)點(diǎn)處振型的曲率較大。如從1階振型可以看出結(jié)構(gòu)最底層處節(jié)點(diǎn)曲率較大,可以初步推斷出損傷的大概位置。但具體損傷在哪根桿上還不可確定。進(jìn)一步提取出模態(tài)數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行分析,得到各損傷工況的振型改變率,如圖3所示。

圖3中,橫坐標(biāo)表示節(jié)點(diǎn)標(biāo)號,縱坐標(biāo)表示結(jié)構(gòu)的振型改變率。從圖3a)可以看出拆掉2根桿所表現(xiàn)出來的是相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)5,9值最大。圖3b)中拆除4根桿時(shí)相對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)1,5,9,13的縱坐標(biāo)值最大。圖3c)和圖3d)中的最大值節(jié)點(diǎn)所對應(yīng)的桿也正是被拆除的桿。

3 試驗(yàn)檢測

對圖1的模型進(jìn)行試驗(yàn)分析,試驗(yàn)儀器有:DH5935N動(dòng)態(tài)信號測試分析系統(tǒng),壓電式加速度傳感器和DHMA模態(tài)分析軟件。

下面對試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,通過對各種損傷工況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并分析,可得其頻率變化如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

表2試驗(yàn)得到的頻率數(shù)據(jù)也依然能夠得到隨損傷程度增大頻率逐漸減小的規(guī)律。除了頻率的變化,振型也隨損傷有所改變。

利用DHMA模態(tài)分析軟件提取出振型的振幅值,以損傷2根和4根的工況為例,其振型改變率如圖4,圖5所示。

從圖4,圖5看出,通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)也可識別出結(jié)構(gòu)的損傷位置。

4 結(jié)語

本文從數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)兩個(gè)方面,應(yīng)用振型變化及第一階振型改變率檢測高壓線塔結(jié)構(gòu)的損傷。結(jié)果表明:該方法僅利用結(jié)構(gòu)的振型就可以對高壓線塔結(jié)構(gòu)的多桿損傷的位置做出比較準(zhǔn)確的判斷。且利用振型改變率作為結(jié)構(gòu)損傷的標(biāo)識量,其意義明確,測量方便。

[1] 楊秋偉.基于振動(dòng)的結(jié)構(gòu)損傷識別方法研究進(jìn)展[J].振動(dòng)與沖擊,2007,26(10):20-22.

[2] 黃東梅.高聳塔架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)損傷的兩步診斷法[J].武漢理工大學(xué),2003(2):30-32.

[3] 劉嫦娟,孫宗光,牛振龍.懸索橋損傷指標(biāo)的適用性分析[J].試驗(yàn)研究,2007(1):1-3.

[4] 裴 強(qiáng).結(jié)構(gòu)健康診斷新方法研究[M].哈爾濱:中國地震局工程力學(xué)研究所,2005.

[5] 張麗梅,陳務(wù)軍,杜守軍,等.鋼桁架結(jié)構(gòu)損傷檢測的柔度曲率幅值突變系數(shù)法[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005(4):38-40.

[6] 萬小朋,李小聰,鮑 凱,等.利用振型變化進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷診斷的研究[J].航空學(xué)報(bào),2003,24(5):28-30.