钢管输电塔法兰联结节点螺栓脱落损伤诊断的研究

论文摘要

输电塔、桅杆和电视塔等结构,是一类与人类生命线直接相关的建筑结构型式,它被广泛地应用于国民经济建设的各个行业。由于它具有高和柔的特点,因此一般对风的作用比较敏感。在强风的长期作用下较易引起结构的损伤,甚至最终导致塔桅钢结构的倒塌。如我国每年都有十余座输电塔会在台风或大风雨中倒塌,特别是2008年我国南方地区雪灾带来的输电线塔倒塌事故最为严重。在此类结构中,最易发生的结构损伤之一是法兰联结节点螺栓脱落的损伤。由于它不易为人们所察觉,且螺栓脱落严重时会大大地降低结构的抗风能力,因此研究它的损伤诊断方法对于保证塔架钢结构的安全就更为必要。本文提出了一种优化等效的方法,即以反映结构整体特性的精细化有限元模型与等效简化模型两者间的刚度矩阵误差最小为等效原则,在把螺栓脱落损伤等效为法兰联结处杆端截面抗弯刚度下降的基础上,通过基于共轭梯度法的优化等效方法,建立了节点联结螺栓脱落损伤的等效模型,为高耸塔架结构节点螺栓脱落损伤诊断系统的模型建立提供了依据。在此基础上,本文建立了具有法兰螺栓联结节点的大型输电线塔体系精细化有限元模型,并进行了风荷载作用下导线几何非线性对塔结构响应的影响分析。本文进行了法兰节点螺栓脱落损伤对输电塔结构模态参数的敏感性分析,明确了应变模态作为损伤判别指标的可行性,并从工程测试的角度出发,提出了基于人工激励的应变模态获取方式,借助于数值仿真和模型试验的方法,进行了验证;同时,探讨了风致节点竖向应变响应的统计方差作为输电塔螺栓脱落损伤指标的可行性。本文提出了基于应变模态的输电塔法兰联结节点螺栓脱落损伤位置与程度的改进模糊模式识别方法,开展了某实际输电塔架结构塔身竖杆的法兰节点螺栓脱落损伤诊断的数值仿真分析,通过距离贴近度与相似贴近度的双重识别可以达到对输电塔架结构螺栓脱落损伤的位置和程度的准确诊断,认证了该方法的有效性。本文提出了基于应变模态的输电塔法兰联结节点螺栓脱落损伤的智能诊断方法。首先,构建了输电塔架结构法兰节点螺栓脱落损伤的二步诊断法:第一步,由基于应变模态的第一层神经网络的区域初诊;第二步,采用改进遗传算法的损伤杆件具体位置与程度的确诊;通过某塔架结构法兰节点螺栓的实例仿真分析,对二步法的有效型进行了验证。其次,从概率角度出发,推导了噪声环境下目标函数中噪声的统计特性,通过剔除噪声对遗传算法的目标函数进行了有效的修正,该修正后的遗传算法成功应用于输电塔法兰节点螺栓脱落损伤的诊断分析中;仿真结果表明,该方法能有效提高遗传算法在噪声环境下的收敛性能,能对结构损伤进行正确诊断和评估。本文开展了基于结构风振响应的输电塔法兰联结节点螺栓脱落损伤位置诊断的研究。首先分析了输电塔结构塔身竖杆法兰联结节点风致响应的特点,并推导了结构塔身竖杆节点风致竖向应变响应方差的归一化公式,明确了节点风致响应归一化的统计方差只与结构的损伤程度有关,与外加的风荷载无关的特点,然后提出了基于结构风致响应的输电塔塔身法兰联结节点螺栓脱落损伤位置诊断的小波分析方法,最后通过一实际输电塔法兰螺栓脱落损伤的仿真分析表明,验证了本文提出方法的有效性。为了验证损伤诊断理论的有效性,本文分别开展了初始人工激励和地震激励下塔架结构塔身竖杆的法兰节点联结螺栓脱落损伤的试验研究,试验结果表明,本文提出的损伤诊断方法能很好的对模拟的螺栓脱落损伤位置和程度进行有效的识别,该损伤诊断试验的理论和方法为实际工程的应用提供了一手的资料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景和研究意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题的研究目的及意义
• 1.2 损伤诊断方法综述
• 1.2.1 直接模型诊断方法
• 1.2.2 间接模型诊断方法
• 1.2.3 基于结构损伤方法问题的综述
• 1.3 国内外有关本课题的研究现状及分析
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 具有法兰节点螺栓脱落损伤的输电塔线体系有限元模型
• 2.1 引言
• 2.2 有限元模型的建立
• 2.2.1 ANSYS有限元概述
• 2.2.2 精细实体有限元模型及等效简化梁单元有限元模型的建立
• 2.3 非线性对整体刚度矩阵的影响分析
• 2.4 精细有限元模型与简化有限元模型的优化等效
• 2.4.1 有限元模型的刚度矩阵
• 2.4.2 螺栓脱落损伤的刚度矩阵折减
• 2.4.3 完好状况及螺栓脱落损伤下的优化等效
• 2.4.4 基于共轭梯度法的优化等效数值算例
• 2.4.5 法兰节点螺栓损伤脱落下的敏感性分析
• 2.5 输电塔线体系精确有限元模型的建立
• 2.5.1 输电塔身的建模
• 2.5.2 绝缘子的建模
• 2.5.3 导线的建模
• 2.5.4 边界条件的处理
• 2.5.5 输电塔线系统模型的建立
• 2.6 导线几何非线性对输电塔结构节点响应的影响分析
• 2.7 本章小结
• 第3章 输电塔法兰节点螺栓脱落损伤诊断的损伤指标
• 3.1 引言
• 3.2 模态参数的振动理论基础
• 3.2.1 频率及位移模态
• 3.2.2 应变模态理论
• 3.3 法兰节点螺栓脱落损伤对输电塔结构模态参数的敏感性分析
• 3.3.1 输电塔结构模态参数的敏感性分析
• 3.3.2 频率的敏感性分析
• 3.3.3 振型的敏感性分析
• 3.3.4 应变模态的敏感性分析
• 3.4 应变模态获取方式的探讨
• 3.4.1 应变模态的实验模态理论
• 3.4.2 应变模态的其他获取方式
• 3.5 悬臂薄梁的应变模态试验研究
• 3.5.1 实验准备
• 3.5.2 实验方案
• 3.5.3 损伤的数据分析
• 3.6 输电塔结构法兰联结节点风致响应的统计方差
• 3.6.1 法兰联结节点风致竖向应变响应的定义
• 3.6.2 节点风致竖向应变响应的统计方差对螺栓脱落的敏感程度
• 3.7 本章小结
• 第4章 基于应变模态的节点螺栓脱落损伤程度和位置的改进模糊模式识别方法
• 4.1 引言
• 4.2 模糊模式识别的基本理论
• 4.2.1 模糊性和模糊子集
• 4.2.2 隶属度原则和择近原则
• 4.2.3 模糊模式识别的直接方法
• 4.2.4 模糊模式识别的间接方法
• 4.3 改进的基于贴近度的模糊模式识别方法
• 4.3.1 常规的两种贴近度公式
• 4.3.2 改进的基于贴近度的模糊模式识别方法
• 4.3.3 法兰节点螺栓脱落损伤的模糊模式识别
• 4.4 节点螺栓脱落损伤的结构应变模态模式库的建立
• 4.4.1 应变模态理论及应变模态的获取
• 4.4.2 节点螺栓脱落损伤的应变模态模式库的建立
• 4.5 数值仿真分析
• 4.5.1 工程概况
• 4.5.2 结构节点损伤模式库的建立
• 4.5.3 假定实际结构的损伤
• 4.5.4 模糊模式识别二步法的校核
• 4.6 结论
• 第5章 基于应变模态的输电塔法兰联结节点螺栓脱落损伤的智能诊断方法
• 5.1 引言
• 5.2 分步诊断法的实施
• 5.2.1 基本思路
• 5.2.2 节点损伤区域的判定
• 5.2.3 节点具体损伤位置和程度的判定
• 5.3 分步诊断法的数值仿真
• 5.3.1 子区域的判定
• 5.3.2 基于改进遗传算法的法兰节点损伤位置和程度的评定
• 5.4 抑制噪声的改进遗传算法在损伤诊断中的应用
• 5.4.1 有噪声的结构损伤诊断方法
• 5.4.2 抑制噪声的遗传算法的实施
• 5.5 抑制噪声的改进遗传算法在输电塔节点螺栓脱落损伤诊断的仿真
• 5.5.1 整体编码和局部编码下的对比分析
• 5.5.2 改进遗传算法收敛曲线的分析
• 5.5.3 噪声对遗传算法的影响分析
• 5.5.4 噪声环境下抑制噪声的遗传算法的性能
• 5.6 结论
• 第6章 基于结构风振响应的输电塔法兰联结节点螺栓脱落损伤位置的诊断
• 6.1 引言
• 6.2 风荷载下输电塔法兰联结节点螺栓脱落损伤的诊断理论与方法
• 6.2.1 结构塔身竖杆节点风致竖向应变响应方差的归一化
• 6.2.2 基于小波变换的输电塔法兰联结节点螺栓脱落损伤的诊断方法
• 6.3 脉动风荷载模拟
• 6.3.1 脉动风压的功率谱密度函数和脉动风压系数
• 6.3.2 脉动风的空间相关性
• 6.3.3 顺风向风荷载的自功率与互功率谱密度函数
• 6.3.4 顺风向多维脉动风荷载的随机模拟
• 6.4 风荷载下输电塔法兰联结节点螺栓脱落损伤的诊断实例分析
• 6.4.1 不同风载下的应变响应统计方差的获取
• 6.4.2 基于小波变换的节点螺栓脱落损伤的诊断仿真
• 6.5 结论
• 第7章 输电塔节点法兰联结螺栓脱落损伤诊断试验
• 7.1 引言
• 7.2 初始人工激励下输电塔法兰联结节点螺栓脱落损伤诊断试验研究
• 7.2.1 初始激励下结构的损伤判别指标
• 7.2.2 初始人工激励下输电塔法兰联结节点螺栓脱落损伤诊断的试验
• 7.3 地震动作用下输电塔法兰联结节点螺栓脱落损伤诊断理论及试验研究
• 7.3.1 地震动作用下输电塔法兰联结节点螺栓脱落损伤诊断理论
• 7.3.2 振动台地震作用下输电塔法兰联结节点螺栓脱落损伤诊断的试验研究
• 7.4 结论
• 第8章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间发表和完成的论文
• 作者攻读博士学位期间参与的研究项目
• 致谢