高压线塔结构的损伤识别

高京京 方有亮

高压输电系统是电力工业中一个不可或缺的重要组成部分,输电线系统的破坏会给社会和人民生命财产造成严重的后果,所以对输电铁塔的损伤检测和健康监测是非常必要的。结构损伤诊断自提出到现在,方法很多,如损伤指标法、神经网络法等。在损伤指标法中,用于损伤定位的指标大致分为两大类:基于静态特性的损伤指标和基于动态特性的损伤指标[1-4]。本文分析了塔架损伤前后频率和振型的变化,并利用振型改变率作为指标,从数值模拟和试验验证两个方面对塔架的损伤识别进行了研究。

1 检测原理

结构的损伤检测主要包括三个方面的内容:结构损伤的检测、结构损伤的定位及结构损伤程度的标定与评价。

对自由振动(f=0),上式可写成:

对无阻尼体系(c=0),结构的特征方程为:

其中,K为结构的刚度矩阵;M为质量矩阵;ω为结构的固有频率;φ为模态振型,φ=[φ1,φ2,φ3,…,φN] 。

振型相比频率来说,包含更多的损伤信息,利用振型来识别损伤有两种途径:1)直接利用结构损伤前后的振型变化来识别损伤;2)由振型构造结构损伤标识量,由标识量的变化或其取值来识别损伤。本文利用第一阶振型改变率(用R表示)来识别结构的损伤。结构第一阶振型改变率为损伤结构的第一阶振型和完好结构的第一阶振型对应点的比值。R=φd/φ。本文利用该指标来对结构的损伤诊断进行研究。

2 数值模拟

如图1所示的高压线塔结构,高3.6 m,分为 4层,底层有一横担,其底面与顶面为长方形,全塔由两种型号的角钢组成,分别为30 mm×30 mm×3 mm的角钢和25 mm×25 mm×2 mm的角钢。该桁架共有20个节点,弹性模量 EX=210 GPa,泊松比为0.3。该结构固定在地面上,即最底层的4个节点位移始终为0,分析时只考虑上部的16个节点。

利用Ansys软件对该结构建模并分析,在不同损伤工况下,得到频率的分析结果如表1所示。

表1 计算结果

由表1可以看出,随着损伤程度的增大,结构的频率呈现逐渐减小的趋势,这是因为结构损伤后柔度增大的缘故。

结构完好和损伤后在振型上也有所差别,下面以结构底层损伤4根的工况为例,取前两阶振型,如图2所示。

从图2可以看到,损伤前后的振型有很大变化,发生损伤部位节点处振型的曲率较大。如从1阶振型可以看出结构最底层处节点曲率较大,可以初步推断出损伤的大概位置。但具体损伤在哪根杆上还不可确定。进一步提取出模态数据并对其进行分析,得到各损伤工况的振型改变率,如图3所示。

图3中,横坐标表示节点标号,纵坐标表示结构的振型改变率。从图3a)可以看出拆掉2根杆所表现出来的是相应的节点5,9值最大。图3b)中拆除4根杆时相对应的节点1,5,9,13的纵坐标值最大。图3c)和图3d)中的最大值节点所对应的杆也正是被拆除的杆。

3 试验检测

对图1的模型进行试验分析,试验仪器有:DH5935N动态信号测试分析系统,压电式加速度传感器和DHMA模态分析软件。

下面对试验所得数据进行分析,通过对各种损伤工况进行数据采集并分析,可得其频率变化如表2所示。

表2 试验结果

表2试验得到的频率数据也依然能够得到随损伤程度增大频率逐渐减小的规律。除了频率的变化,振型也随损伤有所改变。

利用DHMA模态分析软件提取出振型的振幅值,以损伤2根和4根的工况为例,其振型改变率如图4,图5所示。

从图4,图5看出,通过试验数据也可识别出结构的损伤位置。

4 结语

本文从数值模拟和模型试验两个方面,应用振型变化及第一阶振型改变率检测高压线塔结构的损伤。结果表明:该方法仅利用结构的振型就可以对高压线塔结构的多杆损伤的位置做出比较准确的判断。且利用振型改变率作为结构损伤的标识量,其意义明确,测量方便。

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