環(huán)境激勵(lì)下輸電塔動(dòng)力特性參數(shù)識(shí)別

趙 超， 趙家鈺， 孫 清， 袁 俊， 王虎長(zhǎng)， 賀育明， 譚 蓉

(1. 西安交通大學(xué) 人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，西安 710049；2. 中國(guó)電力工程顧問集團(tuán) 西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，西安 710075；3. 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán) 陜西省電力設(shè)計(jì)院有限公司，西安 710054)

電力系統(tǒng)是國(guó)家的生命線工程，我國(guó)一直將電力系統(tǒng)的建設(shè)定為國(guó)家的發(fā)展要?jiǎng)?wù)，作為電力系統(tǒng)的載體，輸電鐵塔的安全性能顯得尤為重要。在輸電鐵塔所承受的眾多荷載中，風(fēng)荷載是鐵塔的主要負(fù)載，其設(shè)計(jì)取值受阻尼比的影響很大，在GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]中已明確指出阻尼比是確定風(fēng)振系數(shù)中共振因子的關(guān)鍵參數(shù)，它的取值將對(duì)風(fēng)振系數(shù)產(chǎn)生很大影響。但目前各國(guó)規(guī)范中對(duì)阻尼比的取值規(guī)定卻各不相同，我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中規(guī)定鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比應(yīng)取0.01，美國(guó)ASCE74《輸電線路設(shè)計(jì)導(dǎo)則》中指出鐵塔阻尼比取值為0.04，澳大利亞荷載規(guī)范中規(guī)定鐵塔阻尼比取值0.02。由于阻尼比是表征結(jié)構(gòu)系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)后能量耗散的特征參數(shù)，它與組成結(jié)構(gòu)的材料特性，內(nèi)部連接形式，以及結(jié)構(gòu)的自振頻率、振幅等參數(shù)有關(guān)。因此，由于阻尼機(jī)制的復(fù)雜性[2]，在工程實(shí)際應(yīng)用中，確定阻尼比取值最有效的手段是進(jìn)行實(shí)測(cè)。

本文以一基110 kV掛線輸電塔為背景，采用環(huán)境隨機(jī)激振法和牽引繩激振法對(duì)輸電塔施加激振作用，通過沿塔身高度布置的加速度拾振器對(duì)鐵塔的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采集，采用修正平均周期圖法對(duì)各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)加速度響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行去除噪聲處理，在考察峰值頻率相干度在95%的基礎(chǔ)上，采用半功率帶寬法對(duì)該輸電塔的頻率和阻尼比進(jìn)行識(shí)別與分析。

1 測(cè)試方案

1.1 測(cè)試輸電塔概況

本文測(cè)試的輸電塔位于陜西省西安市浐灞東路，所屬線路為1271-產(chǎn)等線。該塔為110 kV雙回路角鋼輸電塔，塔身總高25 m，呼高15 m。輸電塔的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示，塔身上已安裝導(dǎo)線和地線，該塔的正視圖和側(cè)視圖如圖2所示?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，場(chǎng)地視野開闊，人流量稀少，四周無明顯障礙物遮擋。

圖1 測(cè)試輸電塔Fig.1 Field diagram of test transmission tower

圖2 輸電塔正視及側(cè)視圖Fig.2 Face view and side view of test transmission tower

1.2 激振方法

在結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)中，常采用激振方法有兩大類，分別為環(huán)境隨機(jī)激振法和人工激振法[3]，本文采用環(huán)境隨機(jī)激振和人工激振法中的牽引繩激振，對(duì)測(cè)試輸電塔施加激振作用，研究不同類型的激振方法對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力參數(shù)測(cè)試與識(shí)別的影響。

牽引繩激振方法的現(xiàn)場(chǎng)加載裝置如圖3所示。在測(cè)試中，將一根鋼絲繩索的上端連接到輸電塔上，并將其下端分別錨固在平行和垂直導(dǎo)線方向的地錨上，通過底部安裝的倒鏈葫蘆張緊繩索，使輸電塔產(chǎn)生初始位移，當(dāng)繩索張力達(dá)到預(yù)設(shè)值后，通過解鎖裝置突然卸去荷載，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生有阻尼的自由振動(dòng)[4]。該激勵(lì)方法激振能量集中，響應(yīng)信號(hào)的信噪比高，但該激振方法對(duì)場(chǎng)地要求較高，需開挖場(chǎng)地埋設(shè)地錨等裝置，現(xiàn)場(chǎng)組裝設(shè)備耗時(shí)費(fèi)力[5]。此外，若測(cè)試輸電塔處于正常工作狀態(tài)時(shí)，該激振法可能會(huì)影響到線路的正常運(yùn)行。

圖3 牽引繩激振法Fig.3 Artificial excitation method

環(huán)境隨機(jī)激振是將引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)的自然地脈動(dòng)和脈動(dòng)風(fēng)作為激振源，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電塔的激振作用，該激振法無激振設(shè)備的要求，試驗(yàn)簡(jiǎn)便，所需的人力少，不受場(chǎng)地、測(cè)試結(jié)構(gòu)類型的限制，廣泛應(yīng)用于野外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)試驗(yàn)中。但由于激振效果微弱，所測(cè)數(shù)據(jù)的信噪比偏低，易受噪聲干擾的影響[6]，因此采用該方法時(shí)，通過監(jiān)測(cè)場(chǎng)地的風(fēng)速和減少可控噪聲的產(chǎn)生，可以改善現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)條件，提高測(cè)試數(shù)據(jù)精度。

1.3 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

為采集測(cè)試輸電塔的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)組裝了一套完整的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，如圖4所示。沿塔身高度方向共布設(shè)8個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)上均安裝有加速度傳感器。

圖4 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)布置Fig.4 Layout of vibration testing system

加速度傳感器為中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所研制的941B型超低頻拾振器，如圖5所示。該型號(hào)傳感器最大量程為20 m/s2，靈敏度為0.3 V·s2/m，為單軸加速度傳感器，可采集結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)信號(hào)。加速度傳感器通過信號(hào)屏蔽線與INV3062C型數(shù)據(jù)采集儀相連接，如圖6所示，該數(shù)據(jù)采集儀可完整的采集帶寬在0～108 kHz的有效信號(hào)，并通過有線傳輸?shù)姆绞絺魉偷诫娔X設(shè)備終端記錄。

圖5 超低頻941B型拾振器Fig.5 Type of 941B vibration pickup

圖6 INV3062C數(shù)據(jù)采集儀Fig.6 Type of INV3062C data acquisition instrument

現(xiàn)場(chǎng)采集前，首先對(duì)拾振器進(jìn)行歸一化調(diào)試。然后根據(jù)測(cè)點(diǎn)布置圖，將拾振器安裝在塔身上，并通過信號(hào)屏蔽線與采集儀相連，調(diào)試采集設(shè)備，設(shè)置采樣頻率為50 Hz，確認(rèn)各通道的一致性后，分別采用環(huán)境隨機(jī)激振和牽引繩激振的方式對(duì)輸電塔施加激振作用，分別采集并記錄平行輸電塔橫擔(dān)方向和垂直輸電塔橫擔(dān)方向的加速度響應(yīng)信號(hào)，用于自振頻率和阻尼比等動(dòng)力特性參數(shù)的分析。

2 阻尼比識(shí)別方法

2.1 數(shù)據(jù)前處理方法

本試驗(yàn)在數(shù)據(jù)采集的過程中，不可避免地受到周圍環(huán)境噪聲的影響，導(dǎo)致所采集到的信號(hào)里包含一定量的噪聲信號(hào)。為消除噪聲信號(hào)對(duì)結(jié)構(gòu)真實(shí)響應(yīng)的干擾，需首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理。

周期圖法[7]是一種功率譜函數(shù)估計(jì)的經(jīng)典方法，常被用于消除數(shù)據(jù)信號(hào)中噪聲干擾的影響，其方法原理為

(1)

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圖7 修正的平均周期圖法Fig.7 Modified periodogram algorithm method

這樣就減小了分段數(shù)增大對(duì)圖形分辨率的影響，并使方差得到進(jìn)一步減小。同時(shí)，由于噪聲信號(hào)的存在具有隨機(jī)性，即噪聲的干擾不可能在每一段數(shù)據(jù)中都相同的存在，所以運(yùn)用此方法處理就可以將噪聲信號(hào)加以壓制，同時(shí)提取出有用的響應(yīng)信號(hào)。

由于漢寧窗函數(shù)可以使信號(hào)在頻域階段下的旁瓣互相抵消，消去高頻干擾和漏能，改善由于矩形窗產(chǎn)生的譜失真問題，有利于提高阻尼比等振動(dòng)參數(shù)的識(shí)別精度[10]，故本文在利用修正平均周期圖法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行前處理的同時(shí)，采用漢寧窗對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗處理，長(zhǎng)度為M的漢寧窗公式為

(3)

得到的采用加漢寧窗的修正平均周期圖法為

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圖8 去除噪聲前響應(yīng)信號(hào)幅-頻曲線Fig.8 Amplitude-frequency curve of response signal before noise removal

圖9 去除噪聲后響應(yīng)信號(hào)幅-頻曲線Fig.9 Amplitude-frequency curve of response signal after noise removal

2.2 阻尼比識(shí)別方法

(5)

求解時(shí)，由于ξ?1，故忽略ξ2以上小量，得到阻尼比

(6)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 自振頻率識(shí)別結(jié)果

采用兩種不同的激振方法對(duì)輸電塔施加激振作用后，各測(cè)點(diǎn)采集的加速度響應(yīng)信號(hào)如圖10和圖11所示。

圖10 環(huán)境激振法下各測(cè)點(diǎn)加速度響應(yīng)Fig.10 Acceleration response under ambient excitation

圖11 牽引繩激振法下各測(cè)點(diǎn)加速度響應(yīng)Fig.11 Acceleration response under artificial excitation

對(duì)于采集到的加速度時(shí)程響應(yīng)信號(hào)，首先利用前述加設(shè)漢寧窗的修正平均周期圖法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去除噪聲處理，通過頻譜分析，分別做出施加環(huán)境隨機(jī)激振和牽引繩激振后各測(cè)點(diǎn)的幅-頻特性曲線，如圖12和圖13所示。從圖中可以看出，經(jīng)去除噪聲后，幅-頻曲線中主峰峰值明顯突出，且各測(cè)點(diǎn)的峰值頻率表現(xiàn)出了高度的一致性，將識(shí)別的峰值頻率列入表1和表2中。

圖12 施加環(huán)境隨機(jī)激振后響應(yīng)信號(hào)的幅-頻曲線Fig.12 Amplitude-frequency curve of ambient excitation

圖13 施加牽引繩激振后響應(yīng)信號(hào)的幅-頻曲線Fig.13 Amplitude-frequency curve of artificial excitation

表1 環(huán)境激振法結(jié)構(gòu)自振頻率識(shí)別結(jié)果Tab.1 Recognition results of structures natural frequencies under ambient excitation Hz

表2 牽引繩激振法結(jié)構(gòu)自振頻率識(shí)別結(jié)果Tab.2 Recognition results of structures natural frequencies under artificial excitation Hz

由表1可知，采用環(huán)境激振法，識(shí)別出平行橫擔(dān)方向一階頻率為2.68 Hz，二階頻率為10.30 Hz；垂直橫擔(dān)方向一階頻率為2.13 Hz，二階頻率為7.90 Hz；根據(jù)表2可知，采用牽引繩激振法，識(shí)別出平行橫擔(dān)方向一階頻率為2.65 Hz，二階頻率為10.30 Hz；垂直橫擔(dān)方向一階頻率為2.15 Hz，二階頻率為8.35 Hz。

采用兩種不同的激振方法時(shí)，平行橫擔(dān)方向和垂直橫擔(dān)方向的一階自振頻率接近，但在兩個(gè)方向的功率譜中均可清楚識(shí)別?？紤]到輸電塔在兩個(gè)方向質(zhì)量和剛度分布相似的特點(diǎn)，識(shí)別結(jié)果與實(shí)際狀態(tài)吻合。

3.2 數(shù)據(jù)有效性分析

進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)采集時(shí)，存在噪聲信號(hào)干擾。為了保證實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，檢驗(yàn)峰值頻率的真實(shí)性，提高半功率帶寬法識(shí)別阻尼比的精度，對(duì)測(cè)點(diǎn)峰值頻率的相干性進(jìn)行考查，如圖14和圖15所示，分別為施加環(huán)境隨機(jī)激振和牽引繩激振下測(cè)點(diǎn)峰值頻率相干度。

圖14 環(huán)境隨機(jī)激振下峰值頻率相干度Fig.14 Coherence of peak frequency under ambient excitation

圖15 牽引繩激振下峰值頻率相干度Fig.15 Coherence of peak frequency under artificial excitation

環(huán)境激勵(lì)下，平行橫擔(dān)方向一階頻率相干度為99.97%，二階頻率相干度為98.73%；垂直橫擔(dān)方向一階頻率相干度為99.95%，二階頻率相干度為97.00%。牽引繩激勵(lì)下，平行橫擔(dān)方向一階頻率相干度為99.98%，二階頻率相干度為96.73%；垂直橫擔(dān)方向一階頻率相干度為99.98%，二階頻率相干度為97.86%。

從圖14和圖15可知，各激振方法下的測(cè)點(diǎn)在峰值頻率處的相干性均達(dá)到了95%以上，說明數(shù)據(jù)中的噪聲干擾已基本去除，所識(shí)別的模態(tài)頻率為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的真實(shí)頻率。

3.3 阻尼比識(shí)別結(jié)果

在去除噪聲并判別數(shù)據(jù)真實(shí)有效后，采用半功率帶寬法，對(duì)所測(cè)輸電塔進(jìn)行阻尼比參數(shù)識(shí)別，如表3和表4所示，表3和表4分別為施加環(huán)境隨機(jī)激振和牽引繩激振下阻尼比的識(shí)別結(jié)果。

表3 環(huán)境隨機(jī)激振法阻尼比識(shí)別結(jié)果Tab.3 Damping ratio recognition of ambient excitation %

表4 牽引繩激振法阻尼比識(shí)別結(jié)果Tab.4 Damping ratio recognition of artificial excitation %

采用環(huán)境隨機(jī)激振時(shí)，所識(shí)別的平行橫擔(dān)方向的一階阻尼比為0.98%，二階阻尼比為0.75%，垂直橫擔(dān)方向的一階阻尼比為1.23%，二階阻尼比為0.79%；采用牽引繩激振時(shí)，所識(shí)別的平行橫擔(dān)方向的一階阻尼比為0.99%，二階阻尼比為0.78%，垂直橫擔(dān)方向的一階阻尼比為1.25%，二階阻尼比為0.82%。

對(duì)比兩種激振方法下所識(shí)別的阻尼比數(shù)值可以看出：當(dāng)采用不同的激振方法施加激振作用時(shí)，所識(shí)別的輸電塔阻尼比數(shù)值接近，最大誤差在5%以內(nèi)，說明本文提出的修正平均周期圖法進(jìn)行數(shù)據(jù)降噪處理后，采用半功率帶寬法，可有效識(shí)別激勵(lì)作用下結(jié)構(gòu)的阻尼比。

4 結(jié) 論

本文以位于陜西省西安市浐灞東路110 kV輸電塔為測(cè)試對(duì)象，采用了環(huán)境隨機(jī)激振和牽引繩激振分別對(duì)其施加激振效應(yīng)，研究了輸電塔的動(dòng)力參數(shù)識(shí)別問題，對(duì)比分析了不同激振方法下的阻尼比識(shí)別情況，得出以下結(jié)論：

(1) 采用修正平均周期圖法，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，處理后的響應(yīng)信號(hào)主峰峰值突出，旁瓣峰值降低，不均勻“毛刺”現(xiàn)象削弱，功率譜峰值提高36.8%。

(2) 采用半功率帶寬法進(jìn)行識(shí)別時(shí)，峰值頻率的誤差將影響阻尼比識(shí)別，因此在去除噪聲的基礎(chǔ)上，考察峰值頻率的相干性大于95%，保證識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確。

(3) 采用環(huán)境隨機(jī)激振和牽引繩激振對(duì)輸電塔進(jìn)行激振，結(jié)果表明：兩種方法識(shí)別的一階阻尼在0.98%～1.25%內(nèi)，誤差小于5%，為采用環(huán)境激振法進(jìn)行輸電塔的動(dòng)力測(cè)試提供參考依據(jù)。