基于时频分布的桅杆结构损伤识别方法及试验研究

论文题目: 基于时频分布的桅杆结构损伤识别方法及试验研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 结构工程

作者: 程华

导师: 黄宗明

关键词: 损伤识别,桅杆,交叉项,统计量,试验,时频分布,时变

文献来源: 重庆大学

发表年度: 2005

论文摘要: 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。

论文目录:

中文摘要

英文摘要

符号说明

1 绪论

1.1 桅杆结构在工程中的应用

1.2 桅杆结构工程破坏实例

1.3 国内外研究概况

1.3.1 桅杆结构振动研究

1.3.2 结构损伤检测研究

1.4 研究的意义和主要工作

1.4.1 研究的意义

1.4.2 主要工作

2 桅杆结构动力模型和振动响应分析

2.1 桅杆结构基本振动特性

2.1.1 纤绳自振特性

2.1.2 纤绳刚度

2.1.3 桅杆结构体系空间动力刚度

2.2 桅杆结构有限元模型

2.2.1 基于多节点索元的桅杆有限元模型

2.2.2 桅杆有限元模型的纤绳初张力识别

2.3 桅杆结构振动响应求解

2.3.1 突卸荷载激励与风激励

2.3.2 时域内响应求解

2.4 算例分析

2.4.1 纤绳初应力参数识别

2.4.2 桅杆基本振动特性与响应特性分析

2.5 本章小结

3 Wigner-Ville时频分布与桅杆结构损伤识别

3.1 时频表示与时频分布

3.1.1 时频分布的基本概念

3.1.2 解析信号与Hilbert变换

3.1.3 瞬时频率

3.2 Wigner-Ville时频分布

3.2.1 WVD基本定义和性质

3.2.2 离散WVD

3.2.3 WVD交叉项

3.3 伪WVD和平滑伪WVD分布

3.3.1 伪Wigner-Ville分布(PWD)

3.3.2 平滑伪Wigner-Ville分布(SPWD)

3.3.3 四余弦波的几种WVD分布

3.4 WVD交叉项检测与桅杆结构损伤识别

3.4.1 WVD交叉项检测及其统计量

3.4.2 桅杆结构损伤识别指标W_1

3.5 算例分析

3.5.1 算例1—某地152m桅杆损伤模拟分析

3.5.2 算例2—涪陵导航桅杆损伤模拟分析

3.6 本章小结

4 涪陵导航桅杆损伤检测试验研究

4.1 试验目的

4.2 试验概况

4.2.1 涪陵导航桅杆概貌

4.2.2 试验对象

4.3 试验方案

4.3.1 测量设备

4.3.2 测点布置

4.3.3 激励

4.3.4 设备连接和测量参数设定

4.3.5 损伤模拟

4.4 基本振动特性测试与分析

4.4.1 纤绳静张力测量

4.4.2 突卸荷载激励下响应

4.4.3 基本振动特性分析

4.5 损伤检测对比试验

4.5.1 基准状态检测试验

4.5.2 模拟损伤检测试验

4.6 试验数据分析

4.6.1 响应频谱特性

4.6.2 基于指标W1的桅杆结构损伤识别

4.7 本章小结

5 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 进一步研究展望

致谢

参考文献

附：

A：作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B：作者在攻读博士学位期间参加的科研项目及得奖情况

独创性声明

学位论文版权使用授权书

发布时间: 2006-12-05

参考文献

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