基于时频分布的桅杆结构损伤识别方法及试验研究

【摘要】：作为一类典型的高耸塔-线耦合结构，桅杆在国民经济建设和重要生命线工程中有着广泛应用。然而，在正常设计、施工和使用条件下，桅杆结构发生破坏的比例之高在土木工程界是非常少见的，这一现象已经引起设计人员的高度关注。从大量桅杆结构破坏实例分析看，绝大部分事故都发生在风速不大的情况下。实际工程结构检测也发现，桅杆结构的构件和连接节点经常存在着由复杂风激振动、环境和施工等因素引起的损伤，导致构件或节点的实际承载力下降，造成桅杆在荷载远未达到设计值的条件下突然发生破坏。如果能通过早期检测发现损伤的位置和程度，就可以延长结构的使用寿命、减少灾害性突发事故。因此，桅杆结构的损伤识别与检测方法研究对提高重要生命线工程结构的安全性具有重要意义。 引起桅杆结构损伤的因素非常复杂，单纯通过理论分析来准确地预测结构损伤，或者逐一对大量位于高空构件和连接节点进行局部探伤，在实际工程应用中都存在极大的困难。近年来，数值分析理论、测试技术和信号分析方法的发展，使得基于振动信号的结构损伤识别与检测技术(Damage Identification)成为可能。研究表明，桅杆是一个非常复杂的耦合体系，其模态参数和刚度除依赖于纤绳平衡张力外，还与激励和环境条件有关，这一特性导致目前比较有效的工程结构损伤识别方法和指标在塔-线结构损伤识别和检测中难以直接应用。目前，国内外针对桅杆结构损伤识别与检测的研究仍处于初始阶段，有关的研究工作仍主要集中在结构风振试验研究或地震作用的影响上。国家标准《高耸结构设计规范》和电力部《架空送电线路设计技术规程》对设计中如何考虑这一问题也未做相应规定。 桅杆属空间预应力结构，纤绳的平衡张力对整个结构的振动特性有着显著的影响。本文基于索的连续偏微分方程，给出了纤绳基本振动特性和刚度的分析方法。采用多节点索元拟合纤绳空间振动，推导了增量形式的桅杆动力有限元方程。为避免桅杆有限元建模过程中因结构变形造成纤绳平衡张力损失，提出了纤绳初张力识别方法，使得所建立的有限元模型能更好地反映原型结构的振动响应特征。该方法具有良好的实用性，在实测数据完备的条件下，可以直接确定有限元模型中纤绳需要施加的初应变；在实测数据不完备和存在测量误差的条件下，仍可获得满足工程应用精度要求的纤绳初应变识别结果，并可借助寻优目标值对平均测量误差进行估计。对涪陵中波导航桅杆的基本振动特性和动态响应的数值模拟分析指出，突卸荷载激励下基于单桅杆模型的模态和响应谱分析结果与双桅杆全跨模型的分析结果基本吻合，且具有计算量小的优点；而风激励下则需要采用双桅杆全跨模型分析才能更准确地反映结构的动态响应特性。