1、第 39 卷 第 3 期2023 年 6 月北 京 建 筑 大 学 学 报Journal of Beijing University of Civil Engineering and ArchitectureVol.39No.3Jun.2023摇 摇 文章编号:2096-9872(2023)03-0070-10基于曲率模态差角钢输电塔损伤识别技术研究贺文波1,摇 曹枚根2,摇 赵东拂1,3,4,5(1.北京建筑大学 土木与交通工程学院,北京摇 100044;2.北方工业大学 土木工程学院,北京摇 100144;3.北京建筑大学 北京节能减排与城乡可持续发展省部共建协同创新中心,北京摇 1000
2、44;4.北京建筑大学 大型多功能振动台阵实验室,北京摇 100044;5.北京建筑大学 工程结构与新材料北京市高校工程研究中心,北京摇 100044)摘摇 要:为延长输电塔的服役时间,提出了一种曲率模态差值法识别输电塔应力薄弱杆件位置的损伤识别技术。以桐城-柳城玉、域回220 kV 线路工程中的2E8-SCZ2-33 塔型的 B23 塔为研究对象,首先通过现场实测以及数值模拟开展了铁塔的动力特性研究;其次计算不同风速下输电塔构件的内力,通过压屈比设计主材、斜材薄弱位置不同程度的损伤,研究损伤后对铁塔动力特性的影响;最后用曲率模态差值分析方法对输电塔损伤位置进行识别。研究表明,曲率模态差值分析
3、方法可以有效识别出输电塔主材损伤杆件的位置,对于单根斜材损伤识别不灵敏。B23 塔主材最薄弱位置在第訛輥輶段,斜材最薄弱位置在塔腿处。计算表明在 39 m/s 的风荷载作用下主材压屈比超过0郾 600,在 43 m/s 的风荷载作用下主材压屈比超过 0郾 700,应重点关注薄弱位置的健康状况。关键词:输电塔;动力特性;曲率模态差;损伤识别;现场测试中图分类号:TU391文献标志码:ADOI:10.19740/j.2096鄄9872.2023.03.09摇 摇 收稿日期:2023-03-11基金项目:国家自然科学基金项目(51378045);北京建筑大学研究生创新项目(PG2022035)。第一
4、作者简介:贺文波(1998),男,硕士研究生,研究方向:输电塔损伤识别技术。Research on Damage Identification Technique for Angle鄄SteelTransmission Towers Based on Curvature Modal DifferencesHE Wenbo1,摇 CAO Meigen2,摇 ZHAO Dongfu1,3,4,5(1.School of Civil and Transportation Engineering,Beijing University of Civil Engineering and Architect
5、ure,Beijing 100044;2.School of Civil Engineering,North China University of Technology,Beijing 100144;3.Beijing Energy Conservation&Sustainable Urban and Rural Development Provincial and Ministry Co鄄constructionCollaboration Innovation Center,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,B
6、eijing 100044;4.Multi鄄Functional Shaking Tables Laboratory,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044;5.Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Civil Engineering Structure and Renewable Material,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,B
7、eijing 100044)Abstract:In order to extend the service life of transmission towers,a damage identification technique foridentifying the location of stress weaknesses in transmission towers by the curvature modal differencemethod is proposed.Taking tower B23 of 2E8-SCZ2-33 in the Tongcheng鄄Liucheng 玉
8、and 域 220 kVline project as the research object,firstly,the research on the dynamic characteristics of the tower wascarried out through field measurements and numerical simulations;secondly,the internal force of the摇 第 3 期贺文波,等:基于曲率模态差角钢输电塔损伤识别技术研究transmission tower components under different wind s
9、peeds was calculated,and the different degrees ofdamage to the weak positions of the main and diagonal materials were designed through the compression toyield ratio,and the research on the dynamic characteristics of the tower after the damage was carried out;finally,the curvature modal difference an
10、alysis method is used to identify the damage location of thetransmission tower.The study shows that the curvature modal difference analysis method can effectivelyidentify the location of the damaged main material of the transmission tower,but is not sensitive toidentify the damage of single diagonal
11、 material.The weakest point of the main material of the tower is atsection 18,and the weakest point of the diagonal material is at the tower leg.Calculations show that thecompression to yield ratio of the main material exceeds 0郾 600 under a wind load of 39 m/s and 0郾 700under a wind load of 43 m/s.
12、At this point the health of the weak locations should be focused.Thedamage identification method by simulating the weak position rod is logical and clear,and is suitable fornon鄄destructive testing and structural evaluation of transmission tower structures.Keywords:transmissiontower;dynamiccharacteri
13、stics;curvaturemodaldifferences;damageidentification;site test摇 摇 输电塔是易受环境影响的结构,并且主要电力负荷中心较长时间集中在东南沿海地区。随着服役时间的增加,输电塔的损伤呈现引发原因多和隐蔽性强的特点。产生损伤的原因主要是输电塔在加工、制造、安装、运行中存在的隐性缺陷在长时间服役过程中被逐渐放大。由于输电塔结构空间分布复杂,受服役环境影响较大,且输电塔结构大量使用钢材,原材料、制造设备、加工工艺等因素,会产生裂纹、锈蚀、杆件初弯曲和初应力等缺陷。输电塔在服役期间,锈蚀缺陷的存在会使钢结构的使用寿命、强度以及稳定性能急剧下降,
14、关键部位会不断累积损伤1-2。塔材在自然环境下容易受到大气、紫外光的腐蚀而生锈,输电塔钢结构部件的锈蚀情况主要表现为局部锈蚀和整塔锈蚀。沿海地区输电线路投运后,由于输电塔是暴露在大气中的,长期经受高盐污秽洗礼,其恶劣的运行环境起初只会使铁塔钢构件产生局部锈蚀,若未经及时治理,经过数年,其局部锈蚀即可转变为整塔锈蚀(图 1)。沿海地区输电塔材腐蚀可分为多种现象,一种是均匀腐蚀现象,即均匀分布于整个金属表面,并使金属整体厚度以均匀速度变薄的腐蚀现象。输电塔结构一旦出现大面积腐蚀现象,会使结构的整体稳定性下降,出现结构扭曲、构件断裂和整体或局部变形。另一种是点腐蚀现象,即在输电塔个别点或者部分区域产
15、生面积较小、速度较快、腐蚀方向呈纵向发展的腐蚀作用或产生的腐蚀现象。由于此腐蚀现象是往角钢纵深方向发展,所以其造成的影响比较严重。输电塔杆件锈蚀后对图 1摇 输电塔构件锈蚀Fig.1摇 Rusting diagram of transmission tower components摇结构安全稳定运行有较大的影响。输电塔倒塌事故是输电塔结构在动力荷载作用下局部或者整体失稳所致。针对输电塔线路的特点,进行损伤缺陷识别研究对提高输电塔长期安全稳定和可靠性具有重要意义3-6。曲率模态是结构中性面的变形模态,与构件的截面抗弯刚度存在相关性,该指标能够反映结构局部损伤信息,能够放大由于结构损伤而引起的模态
16、振型局部不连续,从而实现结构的损伤识别,因此曲率模态的改变可以作为损伤检测的信息7-11。PANDEY 等12等于 1991 年提出基于曲率模态的指标,采用中心差分法基于模态振型求解曲率模态,并采用简支梁模型进行算例验证,证实该方法具有可行性。刘宇飞等13采用缺口平滑拟合技术,利用移动荷载激励下结构的响应数据,17北 京 建 筑 大 学 学 报第 39 卷通过分析梁式结构的平均曲率模态,对结构进行局部损伤定位。徐宏文等14采用曲率模态多项式的曲线拟合开展板结构的损伤定位研究,证实曲率模态多项式的曲线拟合法能够进行准确的平板损伤定位。本文以沿海输电塔线路桐城-柳城玉、域回220 kV 线路工程中的 2E8-SCZ2-33 塔型的 B23 塔为研究对象,提出利用输电塔薄弱位置模拟损伤杆件,以曲率模态差值作为输电塔损伤识别指标的方法,对输电塔损伤位置进行识别,针对输电塔杆件损伤导致的强度缺失进行深入研究,具有较强的理论逻辑。首先采用数值模拟的方法对输电塔在不同风荷载作用下的杆件内力进行分析。研究主材和斜材的薄弱位置,再对薄弱位置的杆件进行损伤模拟,并进行模态分析及动力特性分析。提取输电塔的位