高壓線塔結構的損傷識別

高京京 方有亮

高壓輸電系統是電力工業中一個不可或缺的重要組成部分,輸電線系統的破壞會給社會和人民生命財產造成嚴重的后果,所以對輸電鐵塔的損傷檢測和健康監測是非常必要的。結構損傷診斷自提出到現在,方法很多,如損傷指標法、神經網絡法等。在損傷指標法中,用于損傷定位的指標大致分為兩大類:基于靜態特性的損傷指標和基于動態特性的損傷指標[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,從數值模擬和試驗驗證兩個方面對塔架的損傷識別進行了研究。

1 檢測原理

結構的損傷檢測主要包括三個方面的內容:結構損傷的檢測、結構損傷的定位及結構損傷程度的標定與評價。

對自由振動(f=0),上式可寫成:

對無阻尼體系(c=0),結構的特征方程為:

其中,K為結構的剛度矩陣;M為質量矩陣;ω為結構的固有頻率;φ為模態振型,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)直接利用結構損傷前后的振型變化來識別損傷;2)由振型構造結構損傷標識量,由標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)來識別結構的損傷。結構第一階振型改變率為損傷結構的第一階振型和完好結構的第一階振型對應點的比值。R=φd/φ。本文利用該指標來對結構的損傷診斷進行研究。

2 數值模擬

如圖1所示的高壓線塔結構,高3.6 m,分為 4層,底層有一橫擔,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個節點,彈性模量 EX=210 GPa,泊松比為0.3。該結構固定在地面上,即最底層的4個節點位移始終為0,分析時只考慮上部的16個節點。

利用Ansys軟件對該結構建模并分析,在不同損傷工況下,得到頻率的分析結果如表1所示。

表1 計算結果

由表1可以看出,隨著損傷程度的增大,結構的頻率呈現逐漸減小的趨勢,這是因為結構損傷后柔度增大的緣故。

結構完好和損傷后在振型上也有所差別,下面以結構底層損傷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,發生損傷部位節點處振型的曲率較大。如從1階振型可以看出結構最底層處節點曲率較大,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。進一步提取出模態數據并對其進行分析,得到各損傷工況的振型改變率,如圖3所示。

圖3中,橫坐標表示節點標號,縱坐標表示結構的振型改變率。從圖3a)可以看出拆掉2根桿所表現出來的是相應的節點5,9值最大。圖3b)中拆除4根桿時相對應的節點1,5,9,13的縱坐標值最大。圖3c)和圖3d)中的最大值節點所對應的桿也正是被拆除的桿。

3 試驗檢測

對圖1的模型進行試驗分析,試驗儀器有:DH5935N動態信號測試分析系統,壓電式加速度傳感器和DHMA模態分析軟件。

下面對試驗所得數據進行分析,通過對各種損傷工況進行數據采集并分析,可得其頻率變化如表2所示。

表2 試驗結果

表2試驗得到的頻率數據也依然能夠得到隨損傷程度增大頻率逐漸減小的規律。除了頻率的變化,振型也隨損傷有所改變。

利用DHMA模態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,通過試驗數據也可識別出結構的損傷位置。

4 結語

本文從數值模擬和模型試驗兩個方面,應用振型變化及第一階振型改變率檢測高壓線塔結構的損傷。結果表明:該方法僅利用結構的振型就可以對高壓線塔結構的多桿損傷的位置做出比較準確的判斷。且利用振型改變率作為結構損傷的標識量,其意義明確,測量方便。

[1] 楊秋偉.基于振動的結構損傷識別方法研究進展[J].振動與沖擊,2007,26(10):20-22.

[2] 黃東梅.高聳塔架結構節點損傷的兩步診斷法[J].武漢理工大學,2003(2):30-32.

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

[4] 裴 強.結構健康診斷新方法研究[M].哈爾濱:中國地震局工程力學研究所,2005.

[5] 張麗梅,陳務軍,杜守軍,等.鋼桁架結構損傷檢測的柔度曲率幅值突變系數法[J].東南大學學報(自然科學版),2005(4):38-40.

[6] 萬小朋,李小聰,鮑 凱,等.利用振型變化進行結構損傷診斷的研究[J].航空學報,2003,24(5):28-30.