塔式起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)損傷診斷試驗(yàn)研究

閻玉芹，成紅波，刁訓(xùn)林，隋仕濤，張楠，宋世軍

（1.山東建筑大學(xué)機(jī)電學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.山東省高校機(jī)械工程創(chuàng)新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250101；3.濟(jì)南市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，山東濟(jì)南250014）

塔式起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)損傷診斷試驗(yàn)研究

閻玉芹1，2，成紅波1，2，刁訓(xùn)林3，隋仕濤3，張楠3，宋世軍1，2

（1.山東建筑大學(xué)機(jī)電學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.山東省高校機(jī)械工程創(chuàng)新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250101；3.濟(jì)南市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，山東濟(jì)南250014）

對塔機(jī)進(jìn)行損傷監(jiān)測，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)塔機(jī)存在的安全隱患，提高塔機(jī)運(yùn)行的可靠性。文章基于塔機(jī)主要的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件—標(biāo)準(zhǔn)節(jié)用主弦桿損傷診斷的試驗(yàn)研究，利用連接高強(qiáng)螺栓松動(dòng)程度的不同模擬結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)，獲取結(jié)構(gòu)相應(yīng)位置的應(yīng)變數(shù)據(jù)和水平傾角位移數(shù)據(jù)，并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析，闡明了塔式起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)損傷的特征及診斷方法。結(jié)果表明:應(yīng)變特征值能夠較好地反應(yīng)出結(jié)構(gòu)的損傷情況；當(dāng)以水平傾角變化率作為特征輸入量，用Gauss徑向基核函數(shù)作為支持向量機(jī)核函數(shù)進(jìn)行損傷識別，判斷正確率最高可達(dá)到88.5%，用位移變化率作為支持向量機(jī)的特征輸入量，能夠?qū)崿F(xiàn)塔機(jī)鋼結(jié)構(gòu)的損傷診斷。

塔式起重機(jī)；損傷診斷；應(yīng)變；鋼結(jié)構(gòu)

0 引言

塔式起重機(jī)（以下簡稱塔機(jī)）作為一類典型的大型工程機(jī)械，屬于建筑施工中的高危特種設(shè)備［1-2］。在工作狀態(tài)下，塔機(jī)結(jié)構(gòu)除了承受自重和工作載荷之外，還要承受慣性力、沖擊載荷和風(fēng)載荷等附加載荷的作用，其主要受力部件長時(shí)間受到較大的壓、彎、扭轉(zhuǎn)、剪切等重復(fù)載荷作用。而且塔機(jī)多用于露天作業(yè)，工作環(huán)境十分惡劣，長期受風(fēng)雨、日光、大氣、粉塵影響和侵蝕，致使故障頻發(fā)［3-5］。近年來，為了滿足越來越多的高層和超高層建筑工程的需要，工程用塔機(jī)也日趨大型化、連續(xù)化、機(jī)電一體化，塔機(jī)結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，因此，對塔機(jī)結(jié)構(gòu)安全要求也更高。塔機(jī)發(fā)生故障，不僅需要專業(yè)人員進(jìn)行維修、維護(hù)，而且會導(dǎo)致機(jī)械停工造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。并且，一旦塔機(jī)發(fā)生倒塔極有可能釀成群死群傷的特大事故［6-8］。

塔機(jī)安全問題不僅涉及到個(gè)體的生命安全與健康，而且對社會穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展也有著極為重要的影響。一旦發(fā)生事故，經(jīng)濟(jì)損失慘重、社會影響惡劣。因此，對塔機(jī)進(jìn)行損傷檢測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)塔機(jī)存在的安全隱患，提高塔機(jī)運(yùn)行的可靠性，減少或消除事故，已成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)問題［9-11］。

文章對塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿和整機(jī)鋼結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，為進(jìn)一步進(jìn)行塔機(jī)鋼結(jié)構(gòu)損傷診斷的理論研究提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

采用FTZ6010（80）塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的兩個(gè)主弦桿為實(shí)驗(yàn)構(gòu)件，主弦桿采用兩個(gè)125 mm×125 mm× 8 mm的角鋼對扣焊接而成，對扣后的截面尺寸為135 mm×135 mm，材料為Q235B，長度為2500 mm。

實(shí)驗(yàn)臺由FTZ6010（80）塔機(jī)的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)做主支承架，另外根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要設(shè)計(jì)了上下底架以及各連接件。

塔機(jī)試驗(yàn)臺（如圖1所示）由高強(qiáng)地腳螺栓固定在水泥基礎(chǔ)上，兩根主弦桿通過連接套用兩個(gè)M33×2的高強(qiáng)螺栓連接，底部通過兩個(gè)M36×3的高強(qiáng)螺栓與實(shí)驗(yàn)臺下底架連接。實(shí)驗(yàn)過程中，采用最大工作壓力為25 MPa的液壓缸為實(shí)驗(yàn)構(gòu)件施加載荷，用測力計(jì)測量載荷大小，液壓缸軸線與實(shí)驗(yàn)構(gòu)件（兩主弦桿）中心線之間有22 mm的偏心量，保證構(gòu)件在實(shí)驗(yàn)過程中受到拉力和彎矩的作用。

圖1 塔機(jī)實(shí)驗(yàn)臺圖

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 傳感器布置及信號采集

應(yīng)變信號的獲取:距兩個(gè)主弦桿連接面300 mm處，在上下兩個(gè)主弦桿上分別布置四個(gè)箔基電阻應(yīng)變片，主要有S1、S2、S3、S4和S5、S6、S7、S8，其中應(yīng)變片S1、S2、S3、S4在下主弦桿上，應(yīng)變片S5、S6、S7、S8在上主弦桿上，采用DH-5935型8通道動(dòng)態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)采集應(yīng)變信號。實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)變片布置位置及編號如圖2所示。振動(dòng)信號由安裝在下主弦桿的傾角測量傳感器采集如圖1（a）所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)工況與方案

實(shí)驗(yàn)過程共分為結(jié)構(gòu)完好和損傷兩種狀態(tài)，六個(gè)實(shí)驗(yàn)工況。結(jié)構(gòu)損傷通過松動(dòng)連接兩個(gè)主弦桿的高強(qiáng)螺栓中的一個(gè)來模擬。

工況一（完好狀態(tài)）連接上下主弦桿的兩個(gè)高強(qiáng)螺栓分別施加700 N·m的預(yù)緊力。

工況二至工況六為損傷狀態(tài)具體損傷模擬如下:其中一個(gè)高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力保持700 N·m不變，另一個(gè)高強(qiáng)螺栓分別為預(yù)緊力為0；松開0.5扣（約1 mm）；松開1扣（約2 mm）；松開1.5扣（約3 mm）；松開2扣（約4 mm）。

圖2 應(yīng)變片布置位置及編號圖

實(shí)驗(yàn)過程:開始實(shí)驗(yàn)時(shí)液壓系統(tǒng)給液壓缸加壓，液壓缸則給實(shí)驗(yàn)構(gòu)件施加拉力，當(dāng)拉力計(jì)顯示數(shù)據(jù)接近20 t，停止加壓轉(zhuǎn)為保壓狀態(tài)，保壓時(shí)間30 s，保壓完成后系統(tǒng)泄壓，至拉力計(jì)顯示數(shù)據(jù)為0時(shí)，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中，應(yīng)變測試儀和傾角測量傳感器同時(shí)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為保證實(shí)驗(yàn)效果，對以上六種工況重復(fù)做三次同樣的實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)方案見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)方案表

3 結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)變測試數(shù)據(jù)分析

圖3為結(jié)構(gòu)處于完好狀態(tài)時(shí)，加載過程各測點(diǎn)應(yīng)變變化情況，圖中的數(shù)據(jù)為Test 02的測試數(shù)據(jù)，此時(shí)兩個(gè)高強(qiáng)螺栓的預(yù)緊力均為700 N·m。圖4為結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷時(shí)，加載過程各測點(diǎn)應(yīng)變變化情況，圖4（a）圖中的數(shù)據(jù)為Test 12的測試數(shù)據(jù)，此時(shí)其中一個(gè)高強(qiáng)螺栓的預(yù)緊力為700 N·m，另一個(gè)被松開約2 mm（1扣）；圖4（b）圖中的數(shù)據(jù)為Test 18的測試數(shù)據(jù)，此時(shí)其中一個(gè)高強(qiáng)螺栓的預(yù)緊力為700 N·m，另一個(gè)被松開約4 mm（2扣）。

圖3 完好狀態(tài)時(shí)加載過程應(yīng)變圖

從圖3和圖4可以看出，剛剛開始施加載荷時(shí)，結(jié)構(gòu)處于完好狀態(tài)時(shí)，加載過程中所有測點(diǎn)的初始應(yīng)變值基本從同一數(shù)值開始增加，而結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷（螺栓松動(dòng)）時(shí)，加載過程中測點(diǎn)S8與其它測點(diǎn)的初始應(yīng)變值差別較大。即加載過程中，各測點(diǎn)的應(yīng)變曲線組合形狀隨著結(jié)構(gòu)完好狀態(tài)和損傷狀態(tài)的變化在變化。

圖5為結(jié)構(gòu)處于完好狀態(tài)時(shí)，加載過程各方向的彎矩變化情況，圖中的數(shù)據(jù)為Test 02的測試數(shù)據(jù)。圖6為結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷時(shí)，加載過程各方向的彎矩變化情況，圖6（a）中的數(shù)據(jù)為Test 12的測試數(shù)據(jù)；圖6（b）中的數(shù)據(jù)為Test18的測試數(shù)據(jù)。

圖4 損傷狀態(tài)時(shí)加載過程應(yīng)變圖

圖5 完好狀態(tài)時(shí)加載過程各向彎矩圖

從圖5、6可以看出，結(jié)構(gòu)的變形敏感方向在完好狀態(tài)時(shí)為S1-S3，在損傷狀態(tài)時(shí)為S2-S4，即結(jié)構(gòu)在完好狀態(tài)和損傷狀態(tài)時(shí)變形敏感方向不同。從圖6可以看出，結(jié)構(gòu)損傷程度增大時(shí)，其變形量和變化率均增大。在圖6（a）中S5-S7與S6-S8在加載到約13 s時(shí)出現(xiàn)交叉點(diǎn)，圖6（b）中S5-S7與S6-S8在加載到約7.5 s時(shí)出現(xiàn)交叉點(diǎn)，即損傷狀態(tài)下，S5-S7與S6-S8在加載過程中出現(xiàn)彎矩相同時(shí)刻，且該時(shí)刻隨損傷程度的增大而提前。

圖7為穩(wěn)壓時(shí)工況一至工況六各個(gè)方向彎矩的變化情況，圖8為穩(wěn)壓時(shí)上下兩主弦桿對應(yīng)測點(diǎn)應(yīng)變之差。

從圖7可以看出，穩(wěn)壓過程中S2-S4為變形敏感方向，其變形的變化方向與其它方向相反。從圖8可以看出，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷時(shí)，某些面（S4-S8）應(yīng)變傳遞出現(xiàn)突變，各個(gè)面的上下截面應(yīng)變之差變化規(guī)律明顯不同。

根據(jù)以上應(yīng)變測試數(shù)據(jù)，可以看出，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷時(shí)，其應(yīng)變總會表現(xiàn)出與完好狀態(tài)時(shí)不同的規(guī)律和特征，這些規(guī)律和特征或者是曲線形狀的不同，也或者是變形量、變化率或變化方向的不同。因此，在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷診斷時(shí)，可以根據(jù)具體情況，測試結(jié)構(gòu)相應(yīng)位置的應(yīng)變響應(yīng)，并提取所需特征，實(shí)現(xiàn)損傷診斷，從而避免用結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)信號作為原始數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷分析。這對于大型工程結(jié)構(gòu)的損傷診斷尤為重要，因?yàn)閷Υ笮凸こ探Y(jié)構(gòu)來說，其振動(dòng)數(shù)據(jù)的 獲取要比應(yīng)變數(shù)據(jù)的獲取困難的多。

圖6 損傷狀態(tài)加載過程各向彎矩圖

圖7 穩(wěn)壓時(shí)工況一至六各向彎矩變化圖

圖8 穩(wěn)壓時(shí)對應(yīng)測點(diǎn)應(yīng)變之差圖

3.2 傾角測量傳感器測量數(shù)據(jù)分析

傾角測量傳感器采集的振動(dòng)信號以傳感器元件x／y方向傾角位移數(shù)據(jù)的形式輸出。

圖9為六種不同工況下加載和穩(wěn)態(tài)時(shí)傾角測量傳感器獲取的x／y方向數(shù)據(jù)的平均值，圖10六種不同工況下傾角測量傳感器獲取的x／y方向數(shù)據(jù)的最大變化范圍。

從圖9與圖10可以看出，從工況三開始x／y方向的傾角變化出現(xiàn)拐點(diǎn)，因此通過傾角測量傳感器的測量數(shù)據(jù)可以識別出結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷。

用傾角測量傳感器獲得的測試信號進(jìn)行結(jié)構(gòu)完好狀態(tài)判別。

提取正常情況下和不同的損傷情況下沿x方向的水平傾角位移變化率作為輸入向量。分別取Gauss徑向基核函數(shù)、二次多項(xiàng)式核函數(shù)和線性核函數(shù)作為支持向量機(jī)核函數(shù)［12-15］。

取工況一（完好狀態(tài)）、工況三（一個(gè)螺栓松開半扣）和工況四（一個(gè)螺栓松開一扣）三種情況下各10組數(shù)據(jù)，每組取64個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，作為訓(xùn)練樣本，輸入支持向量機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練。用工況二（一個(gè)螺栓預(yù)緊力為0）、工況五（一個(gè)螺栓松開1.5扣）和工況六（一個(gè)螺栓松開2扣）三種情況各10組數(shù)據(jù)，每組取64個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，作為測試樣本，進(jìn)行測試。測試結(jié)果見表2。

表2 支持向量機(jī)測試分類結(jié)果

從表2判斷結(jié)果看，工況二的判斷正確率較低，是由于工況二時(shí)損傷較輕微，測試數(shù)據(jù)與完好狀態(tài)差別太小造成的；工況五和工況六的判斷結(jié)果較好，工況六的判斷正確率較工況五略有降低，是由于環(huán)境因素變化造成的。在試驗(yàn)中，Gauss徑向基核函數(shù)的判斷正確率高于二次多項(xiàng)式核函數(shù)和線性核函數(shù)。

圖9 不同工況下x／y方向數(shù)據(jù)的平均值圖

圖10 不同工況下x／y方向的最大變化范圍圖

4 結(jié)論

通過本研究可知:

（1）結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷時(shí)，其損傷附近應(yīng)變總會表現(xiàn)出與完好狀態(tài)時(shí)不同的規(guī)律和特征。因此，在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷診斷時(shí)，可以根據(jù)具體情況，提取相應(yīng)的應(yīng)變特征，實(shí)現(xiàn)損傷診斷。

（2）損傷特征能夠通過水平傾角位移顯現(xiàn)。當(dāng)以水平傾角變化率作為特征輸入量，用Gauss徑向基核函數(shù)作為核函數(shù)支持向量機(jī)進(jìn)行損傷識別測試，判斷正確率最高可達(dá)到88.5%。由此可見，塔機(jī)鋼結(jié)構(gòu)的損傷特征能夠通過應(yīng)變特征值和水平傾角位移特征值顯現(xiàn)，用位移變化率作為支持向量機(jī)的特征輸入量，能夠?qū)崿F(xiàn)塔機(jī)鋼結(jié)構(gòu)的損傷診斷。

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（責(zé)任編輯：吳芹）

Experimental investigation on steel structural damage diagnosis of tower crane

Yan Yuqin1，2，Cheng Hongbo1，2，Diao Xunlin3，et al.

（1.School of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Key Laboratory of Mechanical Engineering＆Innovation Technology in Universities of Shandong，Jinan 250101，China；3.Jinan Special Equipment Inspection Institute，Jinan 250002，China）

Performing damage surveillance on tower crane can detect potential security problems on time to enhancie the stability of tower cranes.In this paper，the damage diagnosis test for the steel structure of tower cranes is carried out on the major steel component of cranes，which are two main chords connected by high-strength bolt.The damage of different degrees is simulated by loosening high-strength bolt.Related data of strain and horizontal inclination displacement are obtained and analyzed.The experiment shows that the steel structural damage of tower cranes can be demonstrated by the characteristic value of the strain.When the changing ratio of horizontal inclination is taken as input to and Gauss radial basis function as function for Support Vector Machine to diagnose the steel structural damage of tower crane，the correctness rate can be as high as 88.5%.When the changing ratio of displacement is taken as characteristic value input to Support Vector Machine，the damage diagnosis of tower crane steel structures can be achieved.

tower crane；damage diagnosis；strain；steel structure

TH213.1

A

1673-7644（2014）06-0491-06

2014-06-09

山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012GGB01040）；山東建筑大學(xué)博士科研基金項(xiàng)目（XNBS1247）

閻玉芹（1968-），女，教授，博士，主要從事鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)和建筑幕墻技術(shù)等方面的研究.E-mail:yanyuqin＠sdjzu.edu.cn