塔式起重机钢结构损伤诊断试验研究

阎玉芹，成红波，刁训林，隋仕涛，张楠，宋世军

（1.山东建筑大学机电学院，山东济南250101；2.山东省高校机械工程创新技术重点实验室，山东济南250101；3.济南市特种设备检验研究院，山东济南250014）

塔式起重机钢结构损伤诊断试验研究

阎玉芹1，2，成红波1，2，刁训林3，隋仕涛3，张楠3，宋世军1，2

（1.山东建筑大学机电学院，山东济南250101；2.山东省高校机械工程创新技术重点实验室，山东济南250101；3.济南市特种设备检验研究院，山东济南250014）

对塔机进行损伤监测，可以及时发现塔机存在的安全隐患，提高塔机运行的可靠性。文章基于塔机主要的钢结构构件—标准节用主弦杆损伤诊断的试验研究，利用连接高强螺栓松动程度的不同模拟结构的损伤状态，获取结构相应位置的应变数据和水平倾角位移数据，并对实验数据进行比较和分析，阐明了塔式起重机钢结构损伤的特征及诊断方法。结果表明:应变特征值能够较好地反应出结构的损伤情况；当以水平倾角变化率作为特征输入量，用Gauss径向基核函数作为支持向量机核函数进行损伤识别，判断正确率最高可达到88.5%，用位移变化率作为支持向量机的特征输入量，能够实现塔机钢结构的损伤诊断。

塔式起重机；损伤诊断；应变；钢结构

0 引言

塔式起重机（以下简称塔机）作为一类典型的大型工程机械，属于建筑施工中的高危特种设备［1-2］。在工作状态下，塔机结构除了承受自重和工作载荷之外，还要承受惯性力、冲击载荷和风载荷等附加载荷的作用，其主要受力部件长时间受到较大的压、弯、扭转、剪切等重复载荷作用。而且塔机多用于露天作业，工作环境十分恶劣，长期受风雨、日光、大气、粉尘影响和侵蚀，致使故障频发［3-5］。近年来，为了满足越来越多的高层和超高层建筑工程的需要，工程用塔机也日趋大型化、连续化、机电一体化，塔机结构也越来越复杂，因此，对塔机结构安全要求也更高。塔机发生故障，不仅需要专业人员进行维修、维护，而且会导致机械停工造成较大的经济损失。并且，一旦塔机发生倒塔极有可能酿成群死群伤的特大事故［6-8］。

塔机安全问题不仅涉及到个体的生命安全与健康，而且对社会稳定和经济发展也有着极为重要的影响。一旦发生事故，经济损失惨重、社会影响恶劣。因此，对塔机进行损伤检测，及时发现塔机存在的安全隐患，提高塔机运行的可靠性，减少或消除事故，已成为业内关注的焦点问题［9-11］。

文章对塔机标准节主弦杆和整机钢结构损伤进行了实验研究，为进一步进行塔机钢结构损伤诊断的理论研究提供实验依据。

1 实验模型

采用FTZ6010（80）塔机标准节的两个主弦杆为实验构件，主弦杆采用两个125 mm×125 mm× 8 mm的角钢对扣焊接而成，对扣后的截面尺寸为135 mm×135 mm，材料为Q235B，长度为2500 mm。

实验台由FTZ6010（80）塔机的三个标准节做主支承架，另外根据实验需要设计了上下底架以及各连接件。

塔机试验台（如图1所示）由高强地脚螺栓固定在水泥基础上，两根主弦杆通过连接套用两个M33×2的高强螺栓连接，底部通过两个M36×3的高强螺栓与实验台下底架连接。实验过程中，采用最大工作压力为25 MPa的液压缸为实验构件施加载荷，用测力计测量载荷大小，液压缸轴线与实验构件（两主弦杆）中心线之间有22 mm的偏心量，保证构件在实验过程中受到拉力和弯矩的作用。

图1 塔机实验台图

2 实验方案

2.1 传感器布置及信号采集

应变信号的获取:距两个主弦杆连接面300 mm处，在上下两个主弦杆上分别布置四个箔基电阻应变片，主要有S1、S2、S3、S4和S5、S6、S7、S8，其中应变片S1、S2、S3、S4在下主弦杆上，应变片S5、S6、S7、S8在上主弦杆上，采用DH-5935型8通道动态应变测试系统采集应变信号。实验时应变片布置位置及编号如图2所示。振动信号由安装在下主弦杆的倾角测量传感器采集如图1（a）所示。

2.2 实验工况与方案

实验过程共分为结构完好和损伤两种状态，六个实验工况。结构损伤通过松动连接两个主弦杆的高强螺栓中的一个来模拟。

工况一（完好状态）连接上下主弦杆的两个高强螺栓分别施加700 N·m的预紧力。

工况二至工况六为损伤状态具体损伤模拟如下:其中一个高强螺栓预紧力保持700 N·m不变，另一个高强螺栓分别为预紧力为0；松开0.5扣（约1 mm）；松开1扣（约2 mm）；松开1.5扣（约3 mm）；松开2扣（约4 mm）。

图2 应变片布置位置及编号图

实验过程:开始实验时液压系统给液压缸加压，液压缸则给实验构件施加拉力，当拉力计显示数据接近20 t，停止加压转为保压状态，保压时间30 s，保压完成后系统泄压，至拉力计显示数据为0时，结束实验。

实验进行过程中，应变测试仪和倾角测量传感器同时采集实验数据。为保证实验效果，对以上六种工况重复做三次同样的实验。具体实验方案见表1。

表1 实验方案表

3 结果与分析

3.1 应变测试数据分析

图3为结构处于完好状态时，加载过程各测点应变变化情况，图中的数据为Test 02的测试数据，此时两个高强螺栓的预紧力均为700 N·m。图4为结构出现损伤时，加载过程各测点应变变化情况，图4（a）图中的数据为Test 12的测试数据，此时其中一个高强螺栓的预紧力为700 N·m，另一个被松开约2 mm（1扣）；图4（b）图中的数据为Test 18的测试数据，此时其中一个高强螺栓的预紧力为700 N·m，另一个被松开约4 mm（2扣）。

图3 完好状态时加载过程应变图

从图3和图4可以看出，刚刚开始施加载荷时，结构处于完好状态时，加载过程中所有测点的初始应变值基本从同一数值开始增加，而结构出现损伤（螺栓松动）时，加载过程中测点S8与其它测点的初始应变值差别较大。即加载过程中，各测点的应变曲线组合形状随着结构完好状态和损伤状态的变化在变化。

图5为结构处于完好状态时，加载过程各方向的弯矩变化情况，图中的数据为Test 02的测试数据。图6为结构出现损伤时，加载过程各方向的弯矩变化情况，图6（a）中的数据为Test 12的测试数据；图6（b）中的数据为Test18的测试数据。

图4 损伤状态时加载过程应变图

图5 完好状态时加载过程各向弯矩图

从图5、6可以看出，结构的变形敏感方向在完好状态时为S1-S3，在损伤状态时为S2-S4，即结构在完好状态和损伤状态时变形敏感方向不同。从图6可以看出，结构损伤程度增大时，其变形量和变化率均增大。在图6（a）中S5-S7与S6-S8在加载到约13 s时出现交叉点，图6（b）中S5-S7与S6-S8在加载到约7.5 s时出现交叉点，即损伤状态下，S5-S7与S6-S8在加载过程中出现弯矩相同时刻，且该时刻随损伤程度的增大而提前。

图7为稳压时工况一至工况六各个方向弯矩的变化情况，图8为稳压时上下两主弦杆对应测点应变之差。

从图7可以看出，稳压过程中S2-S4为变形敏感方向，其变形的变化方向与其它方向相反。从图8可以看出，当结构出现损伤时，某些面（S4-S8）应变传递出现突变，各个面的上下截面应变之差变化规律明显不同。

根据以上应变测试数据，可以看出，结构出现损伤时，其应变总会表现出与完好状态时不同的规律和特征，这些规律和特征或者是曲线形状的不同，也或者是变形量、变化率或变化方向的不同。因此，在对结构进行损伤诊断时，可以根据具体情况，测试结构相应位置的应变响应，并提取所需特征，实现损伤诊断，从而避免用结构的振动响应信号作为原始数据进行诊断分析。这对于大型工程结构的损伤诊断尤为重要，因为对大型工程结构来说，其振动数据的 获取要比应变数据的获取困难的多。

图6 损伤状态加载过程各向弯矩图

图7 稳压时工况一至六各向弯矩变化图

图8 稳压时对应测点应变之差图

3.2 倾角测量传感器测量数据分析

倾角测量传感器采集的振动信号以传感器元件x／y方向倾角位移数据的形式输出。

图9为六种不同工况下加载和稳态时倾角测量传感器获取的x／y方向数据的平均值，图10六种不同工况下倾角测量传感器获取的x／y方向数据的最大变化范围。

从图9与图10可以看出，从工况三开始x／y方向的倾角变化出现拐点，因此通过倾角测量传感器的测量数据可以识别出结构是否发生损伤。

用倾角测量传感器获得的测试信号进行结构完好状态判别。

提取正常情况下和不同的损伤情况下沿x方向的水平倾角位移变化率作为输入向量。分别取Gauss径向基核函数、二次多项式核函数和线性核函数作为支持向量机核函数［12-15］。

取工况一（完好状态）、工况三（一个螺栓松开半扣）和工况四（一个螺栓松开一扣）三种情况下各10组数据，每组取64个数据点，作为训练样本，输入支持向量机进行训练。用工况二（一个螺栓预紧力为0）、工况五（一个螺栓松开1.5扣）和工况六（一个螺栓松开2扣）三种情况各10组数据，每组取64个数据点，作为测试样本，进行测试。测试结果见表2。

表2 支持向量机测试分类结果

从表2判断结果看，工况二的判断正确率较低，是由于工况二时损伤较轻微，测试数据与完好状态差别太小造成的；工况五和工况六的判断结果较好，工况六的判断正确率较工况五略有降低，是由于环境因素变化造成的。在试验中，Gauss径向基核函数的判断正确率高于二次多项式核函数和线性核函数。

图9 不同工况下x／y方向数据的平均值图

图10 不同工况下x／y方向的最大变化范围图

4 结论

通过本研究可知:

（1）结构出现损伤时，其损伤附近应变总会表现出与完好状态时不同的规律和特征。因此，在对结构进行损伤诊断时，可以根据具体情况，提取相应的应变特征，实现损伤诊断。

（2）损伤特征能够通过水平倾角位移显现。当以水平倾角变化率作为特征输入量，用Gauss径向基核函数作为核函数支持向量机进行损伤识别测试，判断正确率最高可达到88.5%。由此可见，塔机钢结构的损伤特征能够通过应变特征值和水平倾角位移特征值显现，用位移变化率作为支持向量机的特征输入量，能够实现塔机钢结构的损伤诊断。

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（责任编辑：吴芹）

Experimental investigation on steel structural damage diagnosis of tower crane

Yan Yuqin1，2，Cheng Hongbo1，2，Diao Xunlin3，et al.

（1.School of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Key Laboratory of Mechanical Engineering＆Innovation Technology in Universities of Shandong，Jinan 250101，China；3.Jinan Special Equipment Inspection Institute，Jinan 250002，China）

Performing damage surveillance on tower crane can detect potential security problems on time to enhancie the stability of tower cranes.In this paper，the damage diagnosis test for the steel structure of tower cranes is carried out on the major steel component of cranes，which are two main chords connected by high-strength bolt.The damage of different degrees is simulated by loosening high-strength bolt.Related data of strain and horizontal inclination displacement are obtained and analyzed.The experiment shows that the steel structural damage of tower cranes can be demonstrated by the characteristic value of the strain.When the changing ratio of horizontal inclination is taken as input to and Gauss radial basis function as function for Support Vector Machine to diagnose the steel structural damage of tower crane，the correctness rate can be as high as 88.5%.When the changing ratio of displacement is taken as characteristic value input to Support Vector Machine，the damage diagnosis of tower crane steel structures can be achieved.

tower crane；damage diagnosis；strain；steel structure

TH213.1

A

1673-7644（2014）06-0491-06

2014-06-09

山东省科技发展计划项目（2012GGB01040）；山东建筑大学博士科研基金项目（XNBS1247）

阎玉芹（1968-），女，教授，博士，主要从事钢结构健康监测技术和建筑幕墙技术等方面的研究.E-mail:yanyuqin＠sdjzu.edu.cn