環境激勵下輸電塔動力特性參數識別

趙 超， 趙家鈺， 孫 清， 袁 俊， 王虎長， 賀育明， 譚 蓉

(1. 西安交通大學 人居環境與建筑工程學院，西安 710049；2. 中國電力工程顧問集團 西北電力設計院有限公司，西安 710075；3. 中國能源建設集團 陜西省電力設計院有限公司，西安 710054)

電力系統是國家的生命線工程，我國一直將電力系統的建設定為國家的發展要務，作為電力系統的載體，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，風荷載是鐵塔的主要負載，其設計取值受阻尼比的影響很大，在GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[1]中已明確指出阻尼比是確定風振系數中共振因子的關鍵參數，它的取值將對風振系數產生很大影響。但目前各國規范中對阻尼比的取值規定卻各不相同，我國《建筑結構荷載規范》中規定鋼結構的阻尼比應取0.01，美國ASCE74《輸電線路設計導則》中指出鐵塔阻尼比取值為0.04，澳大利亞荷載規范中規定鐵塔阻尼比取值0.02。由于阻尼比是表征結構系統發生振動后能量耗散的特征參數，它與組成結構的材料特性，內部連接形式，以及結構的自振頻率、振幅等參數有關。因此，由于阻尼機制的復雜性[2]，在工程實際應用中，確定阻尼比取值最有效的手段是進行實測。

本文以一基110 kV掛線輸電塔為背景，采用環境隨機激振法和牽引繩激振法對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鐵塔的振動響應信號進行采集，采用修正平均周期圖法對各測點的實測加速度響應信號進行去除噪聲處理，在考察峰值頻率相干度在95%的基礎上，采用半功率帶寬法對該輸電塔的頻率和阻尼比進行識別與分析。

1 測試方案

1.1 測試輸電塔概況

本文測試的輸電塔位于陜西省西安市浐灞東路，所屬線路為1271-產等線。該塔為110 kV雙回路角鋼輸電塔，塔身總高25 m，呼高15 m。輸電塔的測試現場如圖1所示，塔身上已安裝導線和地線，該塔的正視圖和側視圖如圖2所示。現場測試時，場地視野開闊，人流量稀少，四周無明顯障礙物遮擋。

圖1 測試輸電塔Fig.1 Field diagram of test transmission tower

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

1.2 激振方法

在結構振動測試試驗中，常采用激振方法有兩大類，分別為環境隨機激振法和人工激振法[3]，本文采用環境隨機激振和人工激振法中的牽引繩激振，對測試輸電塔施加激振作用，研究不同類型的激振方法對結構動力參數測試與識別的影響。

牽引繩激振方法的現場加載裝置如圖3所示。在測試中，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，使輸電塔產生初始位移，當繩索張力達到預設值后，通過解鎖裝置突然卸去荷載，結構將產生有阻尼的自由振動[4]。該激勵方法激振能量集中，響應信號的信噪比高，但該激振方法對場地要求較高，需開挖場地埋設地錨等裝置，現場組裝設備耗時費力[5]。此外，若測試輸電塔處于正常工作狀態時，該激振法可能會影響到線路的正常運行。

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

環境隨機激振是將引起結構振動的自然地脈動和脈動風作為激振源，以此實現對輸電塔的激振作用，該激振法無激振設備的要求，試驗簡便，所需的人力少，不受場地、測試結構類型的限制，廣泛應用于野外現場實測試驗中。但由于激振效果微弱，所測數據的信噪比偏低，易受噪聲干擾的影響[6]，因此采用該方法時，通過監測場地的風速和減少可控噪聲的產生，可以改善現場實測條件，提高測試數據精度。

1.3 振動測試系統

為采集測試輸電塔的振動響應信號，在測試現場組裝了一套完整的振動測試系統，如圖4所示。沿塔身高度方向共布設8個測點，每個測點上均安裝有加速度傳感器。

圖4 振動測試系統布置Fig.4 Layout of vibration testing system

加速度傳感器為中國地震局工程力學研究所研制的941B型超低頻拾振器，如圖5所示。該型號傳感器最大量程為20 m/s2，靈敏度為0.3 V·s2/m，為單軸加速度傳感器，可采集結構的加速度響應信號。加速度傳感器通過信號屏蔽線與INV3062C型數據采集儀相連接，如圖6所示，該數據采集儀可完整的采集帶寬在0～108 kHz的有效信號，并通過有線傳輸的方式傳送到電腦設備終端記錄。

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

圖6 INV3062C數據采集儀Fig.6 Type of INV3062C data acquisition instrument

現場采集前，首先對拾振器進行歸一化調試。然后根據測點布置圖，將拾振器安裝在塔身上，并通過信號屏蔽線與采集儀相連，調試采集設備，設置采樣頻率為50 Hz，確認各通道的一致性后，分別采用環境隨機激振和牽引繩激振的方式對輸電塔施加激振作用，分別采集并記錄平行輸電塔橫擔方向和垂直輸電塔橫擔方向的加速度響應信號，用于自振頻率和阻尼比等動力特性參數的分析。

2 阻尼比識別方法

2.1 數據前處理方法

本試驗在數據采集的過程中，不可避免地受到周圍環境噪聲的影響，導致所采集到的信號里包含一定量的噪聲信號。為消除噪聲信號對結構真實響應的干擾，需首先對數據進行降噪處理。

周期圖法[7]是一種功率譜函數估計的經典方法，常被用于消除數據信號中噪聲干擾的影響，其方法原理為

(1)

(2)

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增大對圖形分辨率的影響，并使方差得到進一步減小。同時，由于噪聲信號的存在具有隨機性，即噪聲的干擾不可能在每一段數據中都相同的存在，所以運用此方法處理就可以將噪聲信號加以壓制，同時提取出有用的響應信號。

由于漢寧窗函數可以使信號在頻域階段下的旁瓣互相抵消，消去高頻干擾和漏能，改善由于矩形窗產生的譜失真問題，有利于提高阻尼比等振動參數的識別精度[10]，故本文在利用修正平均周期圖法對數據進行前處理的同時，采用漢寧窗對數據進行加窗處理，長度為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

(4)

圖8 去除噪聲前響應信號幅-頻曲線Fig.8 Amplitude-frequency curve of response signal before noise removal

圖9 去除噪聲后響應信號幅-頻曲線Fig.9 Amplitude-frequency curve of response signal after noise removal

2.2 阻尼比識別方法

(5)

求解時，由于ξ?1，故忽略ξ2以上小量，得到阻尼比

(6)

3 試驗結果及分析

3.1 自振頻率識別結果

采用兩種不同的激振方法對輸電塔施加激振作用后，各測點采集的加速度響應信號如圖10和圖11所示。

圖10 環境激振法下各測點加速度響應Fig.10 Acceleration response under ambient excitation

圖11 牽引繩激振法下各測點加速度響應Fig.11 Acceleration response under artificial excitation

對于采集到的加速度時程響應信號，首先利用前述加設漢寧窗的修正平均周期圖法，對數據進行去除噪聲處理，通過頻譜分析，分別做出施加環境隨機激振和牽引繩激振后各測點的幅-頻特性曲線，如圖12和圖13所示。從圖中可以看出，經去除噪聲后，幅-頻曲線中主峰峰值明顯突出，且各測點的峰值頻率表現出了高度的一致性，將識別的峰值頻率列入表1和表2中。

圖12 施加環境隨機激振后響應信號的幅-頻曲線Fig.12 Amplitude-frequency curve of ambient excitation

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

表1 環境激振法結構自振頻率識別結果Tab.1 Recognition results of structures natural frequencies under ambient excitation Hz

表2 牽引繩激振法結構自振頻率識別結果Tab.2 Recognition results of structures natural frequencies under artificial excitation Hz

由表1可知，采用環境激振法，識別出平行橫擔方向一階頻率為2.68 Hz，二階頻率為10.30 Hz；垂直橫擔方向一階頻率為2.13 Hz，二階頻率為7.90 Hz；根據表2可知，采用牽引繩激振法，識別出平行橫擔方向一階頻率為2.65 Hz，二階頻率為10.30 Hz；垂直橫擔方向一階頻率為2.15 Hz，二階頻率為8.35 Hz。

采用兩種不同的激振方法時，平行橫擔方向和垂直橫擔方向的一階自振頻率接近，但在兩個方向的功率譜中均可清楚識別。考慮到輸電塔在兩個方向質量和剛度分布相似的特點，識別結果與實際狀態吻合。

3.2 數據有效性分析

進行振動信號采集時，存在噪聲信號干擾。為了保證實測數據的可靠性，檢驗峰值頻率的真實性，提高半功率帶寬法識別阻尼比的精度，對測點峰值頻率的相干性進行考查，如圖14和圖15所示，分別為施加環境隨機激振和牽引繩激振下測點峰值頻率相干度。

圖14 環境隨機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

環境激勵下，平行橫擔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%。牽引繩激勵下，平行橫擔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，各激振方法下的測點在峰值頻率處的相干性均達到了95%以上，說明數據中的噪聲干擾已基本去除，所識別的模態頻率為結構系統的真實頻率。

3.3 阻尼比識別結果

在去除噪聲并判別數據真實有效后，采用半功率帶寬法，對所測輸電塔進行阻尼比參數識別，如表3和表4所示，表3和表4分別為施加環境隨機激振和牽引繩激振下阻尼比的識別結果。

表3 環境隨機激振法阻尼比識別結果Tab.3 Damping ratio recognition of ambient excitation %

表4 牽引繩激振法阻尼比識別結果Tab.4 Damping ratio recognition of artificial excitation %

采用環境隨機激振時，所識別的平行橫擔方向的一階阻尼比為0.98%，二階阻尼比為0.75%，垂直橫擔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，所識別的平行橫擔方向的一階阻尼比為0.99%，二階阻尼比為0.78%，垂直橫擔方向的一階阻尼比為1.25%，二階阻尼比為0.82%。

對比兩種激振方法下所識別的阻尼比數值可以看出：當采用不同的激振方法施加激振作用時，所識別的輸電塔阻尼比數值接近，最大誤差在5%以內，說明本文提出的修正平均周期圖法進行數據降噪處理后，采用半功率帶寬法，可有效識別激勵作用下結構的阻尼比。

4 結 論

本文以位于陜西省西安市浐灞東路110 kV輸電塔為測試對象，采用了環境隨機激振和牽引繩激振分別對其施加激振效應，研究了輸電塔的動力參數識別問題，對比分析了不同激振方法下的阻尼比識別情況，得出以下結論：

(1) 采用修正平均周期圖法，對實測數據進行降噪處理，處理后的響應信號主峰峰值突出，旁瓣峰值降低，不均勻“毛刺”現象削弱，功率譜峰值提高36.8%。

(2) 采用半功率帶寬法進行識別時，峰值頻率的誤差將影響阻尼比識別，因此在去除噪聲的基礎上，考察峰值頻率的相干性大于95%，保證識別結果準確。

(3) 采用環境隨機激振和牽引繩激振對輸電塔進行激振，結果表明：兩種方法識別的一階阻尼在0.98%～1.25%內，誤差小于5%，為采用環境激振法進行輸電塔的動力測試提供參考依據。