柔度曲率法在輸電塔損傷識別中的應(yīng)用

吳秀峰，?！∏?/p>

（遼寧工程技術(shù)大學 建筑工程學院，遼寧 阜新 123000）

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柔度曲率法在輸電塔損傷識別中的應(yīng)用

吳秀峰，常青

（遼寧工程技術(shù)大學 建筑工程學院，遼寧 阜新 123000）

在結(jié)構(gòu)指紋識別方法中，基于柔度法的損傷識別方法能夠較好地識別損傷所在位置及程度，在柔度法的基礎(chǔ)上構(gòu)建柔度曲率損傷識別指標及柔度矩陣曲率差損傷識別指標，并將其引入到輸電塔結(jié)構(gòu)損傷識別中。由于輸電鐵塔具有三個平動分量，所構(gòu)建的兩種損傷識別指標也具有三個方向分量，其在輸電塔上的識別效果需要進一步分析。建立51 m酒杯型輸電塔模型，分別采用兩種指標對結(jié)構(gòu)不同程度的單損傷及多損傷進行識別。研究結(jié)果表明，僅結(jié)構(gòu)垂直方向分量的損傷識別指標能夠識別結(jié)構(gòu)損傷，但柔度曲率對于小損傷位置無法識別；柔度矩陣曲率差對小損傷位置也能較好地進行識別。

振動與波；酒杯型輸電塔；柔度曲率；柔度曲率差；損傷識別；模態(tài)分析

輸電塔結(jié)構(gòu)作為我國的生命線工程，隨著經(jīng)濟持續(xù)高速的發(fā)展與“西電東送”工程的大力實施，其高度、跨度與電壓等級也都在穩(wěn)定增長，因此，輸電塔結(jié)構(gòu)的可靠性直接關(guān)系到國民經(jīng)濟是否能穩(wěn)定發(fā)展。在實際生活中，輸電塔結(jié)構(gòu)會受到風、雨、地震等環(huán)境荷載的影響，使結(jié)構(gòu)在所難免地出現(xiàn)損傷，當損傷累積到一定程度后，在較大環(huán)境激勵下則會發(fā)生倒塌事故，不僅會對經(jīng)濟的發(fā)展產(chǎn)生影響，而且影響到人民的日常生活。雖然國內(nèi)外很多學者對輸電塔進行了大量的研究［1-2］，但是現(xiàn)階段對結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征的復(fù)雜性認識仍不夠全面，現(xiàn)有的防災(zāi)減災(zāi)措施很難應(yīng)用到輸電塔結(jié)構(gòu)上來。

隨著計算機技術(shù)及信號處理技術(shù)的迅速發(fā)展，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)（SHM）由于能夠無損、實時地反映結(jié)構(gòu)的動力特性，已被越來越多地應(yīng)用到大型土木工程中來，其中，模態(tài)識別與損傷檢測方法作為健康監(jiān)測的核心，開始被國內(nèi)外眾多學者研究。

在結(jié)構(gòu)損傷檢測方法中，頻率與振型由于能夠直接由測試得到，而且識別精度較高，很多學者對此進行了大量的研究［3-6］，但結(jié)構(gòu)損傷頻率變化只能說明損傷存在而無法識別損傷的具體位置，振型識別指標又存在較大誤差，很難滿足工程實際需要。在基于頻率與振型的損傷檢測基礎(chǔ)上，更多的損傷識別方法被提了出來，應(yīng)用較多的如柔度法［7-8］、曲率法［9］、模態(tài)應(yīng)變法［10］等。其中，采用柔度法利用結(jié)構(gòu)損傷進行識別，具有較好的靈敏度，而且僅需要低階模態(tài)就可以近似構(gòu)建柔度矩陣，克服了實際工程中高階模態(tài)難以識別的缺點。在此基礎(chǔ)上，將柔度曲率法與柔度矩陣曲率差法應(yīng)用到輸電塔結(jié)構(gòu)上來，建立柔度曲率與柔度曲率差損傷識別指標進行對比分析。但輸電鐵塔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于空間格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，存在三個平動分量，在損傷分析時，根據(jù)三個振型分量構(gòu)建的損傷識別指標的識別效果需要進一步分析。

建立51 m酒杯型輸電塔模型，分析輸電塔結(jié)構(gòu)不同的損傷工況及不同方向分量所構(gòu)建的柔度曲率損傷識別指標與柔度曲率差損傷識別指標的識別效果，為輸電塔結(jié)構(gòu)損傷識別提供依據(jù)。

1　理論基礎(chǔ)

基于柔度的損傷識別方法由Pandey和Biswas提出［11］。定義結(jié)構(gòu)的柔度矩陣

式中D為結(jié)構(gòu)的正則化振型矩陣，m為測得結(jié)構(gòu)前m階固有頻率，A=diag，ωi為結(jié)構(gòu)第i階固有頻率，φi為結(jié)構(gòu)第i階質(zhì)量歸一化振型，F(xiàn)為柔度矩陣。

1.1柔度曲率法

根據(jù)式（1）可求得結(jié)構(gòu)損傷后的柔度矩陣為Fd，取 fj為Fh第 j列所有值之和，即

式中 fij為Fh中的元素，由于結(jié)構(gòu)節(jié)點與柔度矩陣列是一一對應(yīng)的，因此，當結(jié)構(gòu)某位置出現(xiàn)損傷時，結(jié)構(gòu)的柔度會出現(xiàn)顯著變化，這種變化可以通過 fj的變化來判斷。而這種變化通過對 fj求其曲率CFh，將會更加明顯

式中 fi+1、fi、fi-1分別表示三個相鄰的節(jié)點，l為相鄰兩節(jié)點間距離，如果距離相等，可以忽略。

1.2柔度曲率差

根據(jù)式（1）求得結(jié)構(gòu)損傷前后的柔度矩陣Fq、Fh，再分別求得曲率矩陣CFq、CFh，即

2　酒杯型輸電塔結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

文中以遼寧地區(qū)酒杯型輸電塔結(jié)構(gòu)為原型，考慮導地線對輸電塔頻率的影響，運用集中質(zhì)量點法將導地線質(zhì)量與絕緣子質(zhì)量附加在懸掛點處，運用Ansys建立梁桁式51 m輸電塔有限元模型，檔距400 m（如圖1），結(jié)構(gòu)的損傷假定為僅考慮結(jié)構(gòu)單元彈性模量EI的降低而不考慮損傷單元質(zhì)量的變化（結(jié)構(gòu)損傷工況如表1）。表1中，a表示損傷程度。

圖1　51 m輸電塔有限元模型

表1　結(jié)構(gòu)損傷工況表

如圖1所示，將輸電塔結(jié)構(gòu)所在平面分量定義為x、y方向分量，垂直方向分量定義為z方向分量。由式（1）可構(gòu)建輸電鐵塔柔度矩陣

根據(jù)式（7），結(jié)構(gòu)損傷識別指標FC與MFC也分為三個方向分量。

3　輸電塔結(jié)構(gòu)單損傷分析

結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，數(shù)字表示節(jié)點編號，兩個節(jié)點為一個單元，單損傷時FC考慮工況1到工況4，MFC考慮工況2到工況4，兩個指標的損傷識別效果如圖2、圖3所示。

通過圖2、圖3可以看出，兩種損傷識別指標值隨著損傷程度的增加成冪指數(shù)增加，結(jié)構(gòu)損傷程度達到95%時，損傷程度為20%的識別曲線由于突變值太小而被遮蓋，根據(jù)這種遞增關(guān)系可以對損傷程度進行定量分析?？梢钥闯觯瑇與z方向分量曲線存在太多突變點，無法識別結(jié)構(gòu)損傷所在。在損傷較大時，可以確定兩種損傷識別指標y方向分量識別損傷所在突變位置與所設(shè)立損傷工況一致。提取結(jié)構(gòu)y方向分量20%損傷程度下兩種指標識別曲線如圖4所示，柔度曲率雖然在損傷處存在突變，但無損處也存在較大程度的突變，出現(xiàn)了誤判。而柔度曲率差突變位置與損傷工況一致，無損處沒有突變，表現(xiàn)出了較好的識別效果。

圖2　結(jié)構(gòu)第4單元不同損傷程度下柔度曲率值

圖3　結(jié)構(gòu)第4單元不同損傷程度下柔度曲率差值

圖4　結(jié)構(gòu)第4單元損傷20%時FC與MFC值

4　輸電塔結(jié)構(gòu)多損傷分析

從單損傷識別結(jié)果可以看出，只有y方向的損傷識別指標能夠較好地識別出結(jié)構(gòu)損傷所在位置，在多損傷時，僅考慮兩種指標在y方向分量上的識別效果。在單損傷工況下，兩種識別指標對于大損傷均表現(xiàn)出較好的識別效果，多損傷時，不考慮95%損傷工況。首先考慮結(jié)構(gòu)單條主材存在兩個單元損傷的情況，考慮工況5和工況6情況下，F(xiàn)C和MFC兩個指標的損傷識別情況，如圖5所示，可以看出，當結(jié)構(gòu)損傷較小時，F(xiàn)C指標出現(xiàn)多個峰值，無法判斷小突變處是否為損傷單元，識別效果不佳；當損傷程度較高時，可以發(fā)現(xiàn)第6、第26號單元處指標值較大，但無損處仍然有較大突變值影響識別效果；而MFC指標能夠很好地識別20%損傷下的多單元損傷，而無損單元的MFC值基本趨近于零，具有很好的識別效果。

由于輸電塔由四根主材組成，考慮輸電塔不同主材發(fā)生損傷情況下，對稱位置損傷對FC和MFC指標損傷識別是否存在影響。選取x對稱方向的兩條塔腿，考慮工況7和工況8情況下兩種指標的識別情況如圖6所示，從MFC圖可以看到，結(jié)構(gòu)第31、第32節(jié)點間單元MFC值很大，然而此單元并不存在。第31號節(jié)點為一條主材塔身頂部節(jié)點號，第32號節(jié)點為另一條主材塔腿底部第一個節(jié)點號，兩節(jié)點柔度差值很大，這種差值會對FC指標產(chǎn)生干擾，因此在FC圖中，將兩點柔度曲率做歸零處理?？梢钥闯觯現(xiàn)C識別指標對小損傷工況識別效果不好，大損傷工況下突變節(jié)點較多，但損傷處FC值最大，能夠識別大損傷的損傷位置；MFC值沒有對第31號節(jié)點與第32號節(jié)點做處理，也能看出，對于小的損傷，識別效果較好，對稱位置的損傷也能夠識別出來。

5　結(jié)語

文中對結(jié)構(gòu)損傷識別較好的柔度曲率法和柔度矩陣曲率差法引入到輸電塔損傷識別當中，發(fā)現(xiàn)兩種指標僅y方向分量才能識別結(jié)構(gòu)的損傷及程度；對于輸電塔結(jié)構(gòu)不同主材對稱位置的損傷，兩種識別指標均有較好的識別效果。其中，柔度曲率法不需要結(jié)構(gòu)損傷前的柔度矩陣，故更容易應(yīng)用在實際工程中，但對于小損傷不能有效識別；當損傷程度較高時，對于單損傷及多損傷都可以較好地識別出來；柔度矩陣曲率差法需要損傷前后的柔度矩陣，但損傷識別效果比柔度曲率法要好，能夠識別不同損傷工況下的損傷。

圖5　結(jié)構(gòu)第4單元、第26單元不同損傷程度FC、MFC值

圖6　結(jié)構(gòu)第4、第25、第35、第57單元不同損傷程度FC、MFC值

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Application of Flexibility Curvature Method in Damage Detection of Transmission Towers

WU Xiu-feng，CHANGQing

（Institute ofArchitecture and Civil Engineering，Liaoning University of Engineering Technology，F(xiàn)uxin 123000，Liaoning China）

The fingerprint identification and damage identification methods based on flexibility method can be used to identify the damage location and intensity.In this paper，the flexibility curvature damage identification index and flexibility curvature difference matrix damage identification index are built based on the method of flexibility.These indexes are introduced to the damage identification of transmission tower structures.Since the transmission tower has three translational motion components and each of the two damage identification indexes also has three direction components，the recognition effect of the damage in the transmission tower needs further analysis.So，a model of 51 meter-high glass-shaped transmission tower is established，the two indexes are used to identify the single damage and multi damage of the tower structures.The results show that only using the flexibility matrix of the vertical component of the structure can identify the structure damage.Both indexes have good effect，but the flexibility curvature method is unlikely to recognize the location of small damage.While the flexibility curvature difference matrix method can identify the location of the small damages

vibration and wave；glass-shaped transmission tower；flexibility curvature；flexibility curvature difference；damage identification；modal analysis

TP206+.3

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.04.037

1006-1355（2016）04-0174-04+205

2016-02-01

遼寧省一般項目資助（L2015222）

吳秀峰（1976-），男，遼寧省阜新市人，博士，副教授，主要從事鋼結(jié)構(gòu)、大跨度空間結(jié)構(gòu)等方向的研究。E-mail:wxf19760825@163.com