淺析輸電鐵塔損傷檢測

林道偉

摘 要：由于一直暴露在外在環(huán)境中，輸電鐵塔必然會受到環(huán)境影響，比如最為常見的風雪吹打、暴雨侵襲等等，此時其構(gòu)件就會出現(xiàn)腐蝕以及裂縫之類的問題，最終影響到線路，導(dǎo)致輸電工作無法順利進行，特別是當受到冰雪氣候的影響時，鐵塔受到的沖擊力將會更大，長此以往就會導(dǎo)致疲勞損傷，導(dǎo)致裂縫擴大最終發(fā)生倒塌之類的問題，而一旦出現(xiàn)此類問題的話，必然會給國家以及相關(guān)的人民群眾的生命以及財產(chǎn)等造成嚴重的威脅。對此，要想避免上述的負面現(xiàn)象出現(xiàn)，就要認真分析并且檢測其損傷情況，以此來降低事故發(fā)生幾率，確保線路穩(wěn)定運作。

關(guān)鍵詞：輸電鐵塔；損傷；檢測

中圖分類號：TU391 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）29-0095-02

1 輸電鐵塔損傷檢測的意義

積極開展輸電鐵塔檢測以及診斷工作，對于確保廣大群眾的生命安全以及財產(chǎn)穩(wěn)定來講有著非常關(guān)鍵的意義。眾所周知，輸電鐵塔的外形非常龐大，而且常年的處在外在的氛圍中，必然會受被各種自然現(xiàn)象所作用而引發(fā)很多問題。一旦出現(xiàn)了問題的話，就需要耗費大量的資金和勞動力來處理，很顯然這對于提升資源的利用率來講是非常不利的。對此，通過建立智能化的檢測體系可以確保檢測以及預(yù)報等具有強大的實時性特征，能夠節(jié)省檢測以及維護所需的資金，而且測量工作完全實現(xiàn)了自動化，因此能夠保證工作的穩(wěn)定性高。

2 結(jié)構(gòu)損傷

2.1 何為損傷

所謂的損傷，指的是結(jié)構(gòu)本身的功能被影響而弱化的一種狀態(tài)。按照其程度的區(qū)別，可以分成三種，分別是輕微級別、中等級別以及嚴重級別。從大的層面上來看，損傷涵蓋兩種，分別是受力以及非受力兩種損傷。對于后者來講，它指的是施工導(dǎo)致的問題；使用的時候由于溫濕度以及其他一些非受力的要素導(dǎo)致的問題，像是最為常見的混凝土縫隙以及鋼筋的侵蝕等等。而對于前者來講，它指的是結(jié)構(gòu)在使用的時候由于受力要素而導(dǎo)致的問題，比如縫隙。所謂的破壞，具體來講，指的是結(jié)構(gòu)失去了其原有功效的一種狀態(tài)，通常其無法復(fù)原。

2.2 框架結(jié)構(gòu)的損傷

所謂的框架，具體來說指的是立柱和橫梁組成的體系。它的結(jié)構(gòu)較為輕便，因此易于布局，便于施工，而且符合各種工藝規(guī)定，因此目前階段非常受廣大施工者的青睞。它的垂直方向的受力以及水平方向的受力都作用到梁柱上面。一般來講，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度相對較小，而且抗側(cè)水平也不是很高。當受到水平方向的力的時候，它的結(jié)構(gòu)較容易發(fā)生變形。

2.3 結(jié)構(gòu)損傷檢測研究

損傷識別技術(shù)是結(jié)構(gòu)健康檢測研究范疇內(nèi)的核心問題。在物理狀態(tài)下，損傷的剛度變低，柔度變大；在模態(tài)空間中它的頻率變低。不管是從研究的層面亦或是實用的層面分析，在測定的時候都應(yīng)該將確定損傷位置，以及數(shù)值變化等當成是重點。

3 損傷檢測方法

3.1 基于固有頻率變化的損傷識別方法

對于工程結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)來講，它的固有頻率的獲取幾率非常高。以該頻率改變?yōu)榛A(chǔ)的識別措施認為當結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷現(xiàn)象的時候，它的剛度變?nèi)?，未意識到質(zhì)量方面的改變。常見方法有三類，分別是兩階頻率變化比、頻率變化率、頻率變化平方比。

3.2 基于振型變化的損傷識別方法

振型的精確度較之于上述方法來講要低一些，不過它涵蓋許多損傷數(shù)據(jù)。該措施涉及的類型很多，比如模態(tài)正交法、振型曲率法、振型變化圖形法、模態(tài)置信度判據(jù)法。

3.3 模型修正法

所謂的模型修正，具體來講它主要是借助動力試驗獲取數(shù)值，然后再條件約束的作用下，對模型的剛度布局加以修正，進而比對被測試結(jié)構(gòu)的局部區(qū)域的剛度來明確損傷所處的方位以及程度。通過使用該方法能夠幫助我們更好的劃分并且處理結(jié)構(gòu)。從數(shù)學層面上來看，該方法屬于反演問題。它求解措施有三種，分別是矩陣優(yōu)化修正法、靈敏度法和特征結(jié)構(gòu)配置法。因為存在測量噪音以及誤差等要素，導(dǎo)致該方法在具體的運用的過程中會受到一定的影響。

3.4 時頻分析方法

所謂的時頻分析法，主要包含小波包分析以及小波分析，最近幾年出現(xiàn)了一種全新的HHT法。小波變換在時域和頻域都具有表征信號局部特征的能力，基于小波變換的小波分析利用一個可以伸縮和平移的可變視窗能夠聚焦到信號的任意細節(jié)進行時頻域處理，不但能夠看到信號的總貌，而且還能夠從細節(jié)處分析，確保我們能夠掌握數(shù)據(jù)的短時特征。對于結(jié)構(gòu)來講，當個別線性的接點受到損傷以后會失去線性，使得本身的頻率發(fā)生變化，導(dǎo)致它的動力響應(yīng)等改變。通過使用小波分析法，能夠得知結(jié)構(gòu)在損傷之前以及之后的時域和頻域特點，明確非線性特點。當我們利用小波段分析之后，時域的響應(yīng)信號的缺損特點會變得更顯而易見，所以，該措施適合用來判別信號間的細小差別。

3.5 基于環(huán)境激勵的損傷識別方法

該方法主要有兩種，分別是峰值拾取法和頻域分解法。對于前者來講，它是結(jié)合頻率響應(yīng)函數(shù)在固有頻率附近出現(xiàn)峰值的原理，用隨機響應(yīng)的功率譜代替頻率響應(yīng)函數(shù)。在具體運用該方法的時候，我們假設(shè)譜峰值只存在單一的模態(tài)。其無法辨別阻尼比以及密集模態(tài)，不過它的優(yōu)點在于它的操控更加便捷，而且能夠以較快的速率辨別問題所在。對于頻域分解措施來講，它是以白噪聲激勵為前提的一種識別措施，從嚴格意義上來講它是峰值拾取法的發(fā)展，主要用來分解功率譜的奇異值，它的優(yōu)點是精確性較高，而且本身具有強大的抗干擾水平。

3.6 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

我們之所以能夠?qū)⑸窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)用來診斷損傷，其原因來自三方面。第一，可以結(jié)合對象的原始數(shù)據(jù)來進行網(wǎng)絡(luò)訓練活動，此時得到的網(wǎng)絡(luò)可以儲存很多過程內(nèi)容。第二，網(wǎng)絡(luò)有著強大的過濾噪音的能力，而且在噪音的狀態(tài)下同樣能夠得到正確的數(shù)據(jù)。第三，網(wǎng)絡(luò)本身有著強大的辨別損傷原因以及種類的能力。目前常用的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有多層感知器、BP網(wǎng)絡(luò)等等。其中BP網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用率最高。endprint

4 檢測過程中面對的不利點

4.1 誤差

對于土木項目來講，其結(jié)構(gòu)在設(shè)計以及分析的過程中允許有誤差存在。不過假如模型的誤差較為明顯的話，就會導(dǎo)致誤差引起的動力特性改變與損傷引起的動力特性改變相當，這就會導(dǎo)致因為動力變化而改變的損傷檢測措施的誤差變大。

4.2 噪音

因為存在很多的干擾要素，所以在測量的過程中無法避免噪音。在監(jiān)測結(jié)構(gòu)的時候，從最初的數(shù)據(jù)收集到傳遞等整個過程中都會有噪音存在，所以必須要保證傳感器的持久性良好，只有這樣才可以確保信息精準。

4.3 數(shù)據(jù)不完整

針對土木性質(zhì)的結(jié)構(gòu)來講，通常無法獲知完整的結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)。這就會導(dǎo)致那些依托完整數(shù)據(jù)而開展的檢測工作受到阻礙。雖說使用矩陣縮聚措施后依舊可以運用，不過誤差會變大，導(dǎo)致檢測效果受到極大影響。

4.4 敏感性不高

針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)，特別是跨度較大的空間結(jié)構(gòu)來講，因為它本身的桿件數(shù)量較多，一旦發(fā)生部分損傷的話就會導(dǎo)致數(shù)值改變，導(dǎo)致檢測工作受到極大阻礙。

5 發(fā)展方向

5.1 更加關(guān)注傳感器和布設(shè)問題

通過分析可知，損傷識別工作開展的是否到位主要在于傳感器以及它的布設(shè)。對此，應(yīng)該積極開展此方面的研究工作，盡最大努力的爭取早日實現(xiàn)以最少的傳感設(shè)備獲取最多的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

5.2 降低對早期資料損傷識別措施的依賴性

當前時期開展的識別工作，主要依靠未損結(jié)構(gòu)的精確有限元模型或試驗結(jié)果，但是絕大部分的結(jié)構(gòu)本身缺少上述兩種信息，因此今后在發(fā)展的過程中應(yīng)該將重點放到發(fā)展不依靠早期資料的損傷識別方面。

5.3 加強基于環(huán)境激勵的損傷識別方法的研究

因為受到各種要素的影響，使得具體的結(jié)構(gòu)無法使用穩(wěn)態(tài)正弦激勵或瞬態(tài)沖擊激勵，因此環(huán)境激勵的使用幾率就明顯增加了。當前時期，此類激勵識別措施多是以白噪聲為基礎(chǔ)的，在具體開展的過程中復(fù)雜度非常高，因此要切實提升該措施的魯棒性，以此來確保識別的精確性更高。

5.4 重視統(tǒng)計技術(shù)

眾所周知，識別損傷的過程中難以避免噪音的存在，一些小的損傷導(dǎo)致的變化可能會被噪音掩蓋，導(dǎo)致識別工作受到影響，而通過運用統(tǒng)計技術(shù)能夠精確的獲知結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷問題的幾率，進而幫助我們能夠更加精準的識別損傷。目前，在發(fā)展診斷技術(shù)的時候，其主要圍繞著如下幾個方面開展：明確是否有損傷、確定具體的方位以及情況的嚴重程度、處理損傷帶來的負面影響。

6 結(jié)束語

最近幾年，我們國家出現(xiàn)極端氣候的幾率明顯增大，比如嚴寒和冰霜氣候就時有出現(xiàn)，這在無形之中導(dǎo)致輸電鐵塔受到極大的威脅，負載力明顯增加，具體來講最主要的影響有如下兩個方面。第一，極端氣候?qū)е妈F塔受到的不均衡力明顯變大。第二，由于線路被冰雪覆蓋，當其搖動之時，鐵塔承受的力明顯增加，長此以往使得鐵塔容易出現(xiàn)疲勞損傷，最終引發(fā)縫隙問題，嚴重的話還會倒塌，而一旦倒塌的話就會給所在區(qū)域的廣大群眾造成極大的負面影響。所以，對于電力工作者來講，當務(wù)之急的工作就是認真開展鐵塔檢測以及分析等工作，將潛在的問題控制在發(fā)生之前。

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