閻玉芹，成紅波，刁訓林，隋仕濤，張楠，宋世軍

（1.山東建筑大學機電學院，山東濟南250101；2.山東省高校機械工程創(chuàng)新技術重點實驗室，山東濟南250101；3.濟南市特種設備檢驗研究院，山東濟南250014）

塔式起重機鋼結構損傷診斷試驗研究

閻玉芹1，2，成紅波1，2，刁訓林3，隋仕濤3，張楠3，宋世軍1，2

（1.山東建筑大學機電學院，山東濟南250101；2.山東省高校機械工程創(chuàng)新技術重點實驗室，山東濟南250101；3.濟南市特種設備檢驗研究院，山東濟南250014）

對塔機進行損傷監(jiān)測，可以及時發(fā)現塔機存在的安全隱患，提高塔機運行的可靠性。文章基于塔機主要的鋼結構構件—標準節(jié)用主弦桿損傷診斷的試驗研究，利用連接高強螺栓松動程度的不同模擬結構的損傷狀態(tài)，獲取結構相應位置的應變數據和水平傾角位移數據，并對實驗數據進行比較和分析，闡明了塔式起重機鋼結構損傷的特征及診斷方法。結果表明:應變特征值能夠較好地反應出結構的損傷情況；當以水平傾角變化率作為特征輸入量，用Gauss徑向基核函數作為支持向量機核函數進行損傷識別，判斷正確率最高可達到88.5%，用位移變化率作為支持向量機的特征輸入量，能夠實現塔機鋼結構的損傷診斷。

塔式起重機；損傷診斷；應變；鋼結構

0 引言

塔式起重機（以下簡稱塔機）作為一類典型的大型工程機械，屬于建筑施工中的高危特種設備［1-2］。在工作狀態(tài)下，塔機結構除了承受自重和工作載荷之外，還要承受慣性力、沖擊載荷和風載荷等附加載荷的作用，其主要受力部件長時間受到較大的壓、彎、扭轉、剪切等重復載荷作用。而且塔機多用于露天作業(yè)，工作環(huán)境十分惡劣，長期受風雨、日光、大氣、粉塵影響和侵蝕，致使故障頻發(fā)［3-5］。近年來，為了滿足越來越多的高層和超高層建筑工程的需要，工程用塔機也日趨大型化、連續(xù)化、機電一體化，塔機結構也越來越復雜，因此，對塔機結構安全要求也更高。塔機發(fā)生故障，不僅需要專業(yè)人員進行維修、維護，而且會導致機械停工造成較大的經濟損失。并且，一旦塔機發(fā)生倒塔極有可能釀成群死群傷的特大事故［6-8］。

塔機安全問題不僅涉及到個體的生命安全與健康，而且對社會穩(wěn)定和經濟發(fā)展也有著極為重要的影響。一旦發(fā)生事故，經濟損失慘重、社會影響惡劣。因此，對塔機進行損傷檢測，及時發(fā)現塔機存在的安全隱患，提高塔機運行的可靠性，減少或消除事故，已成為業(yè)內關注的焦點問題［9-11］。

文章對塔機標準節(jié)主弦桿和整機鋼結構損傷進行了實驗研究，為進一步進行塔機鋼結構損傷診斷的理論研究提供實驗依據。

1 實驗模型

采用FTZ6010（80）塔機標準節(jié)的兩個主弦桿為實驗構件，主弦桿采用兩個125 mm×125 mm× 8 mm的角鋼對扣焊接而成，對扣后的截面尺寸為135 mm×135 mm，材料為Q235B，長度為2500 mm。

實驗臺由FTZ6010（80）塔機的三個標準節(jié)做主支承架，另外根據實驗需要設計了上下底架以及各連接件。

塔機試驗臺（如圖1所示）由高強地腳螺栓固定在水泥基礎上，兩根主弦桿通過連接套用兩個M33×2的高強螺栓連接，底部通過兩個M36×3的高強螺栓與實驗臺下底架連接。實驗過程中，采用最大工作壓力為25 MPa的液壓缸為實驗構件施加載荷，用測力計測量載荷大小，液壓缸軸線與實驗構件（兩主弦桿）中心線之間有22 mm的偏心量，保證構件在實驗過程中受到拉力和彎矩的作用。

圖1 塔機實驗臺圖

2 實驗方案

2.1 傳感器布置及信號采集

應變信號的獲取:距兩個主弦桿連接面300 mm處，在上下兩個主弦桿上分別布置四個箔基電阻應變片，主要有S1、S2、S3、S4和S5、S6、S7、S8，其中應變片S1、S2、S3、S4在下主弦桿上，應變片S5、S6、S7、S8在上主弦桿上，采用DH-5935型8通道動態(tài)應變測試系統采集應變信號。實驗時應變片布置位置及編號如圖2所示。振動信號由安裝在下主弦桿的傾角測量傳感器采集如圖1（a）所示。

2.2 實驗工況與方案

實驗過程共分為結構完好和損傷兩種狀態(tài)，六個實驗工況。結構損傷通過松動連接兩個主弦桿的高強螺栓中的一個來模擬。

工況一（完好狀態(tài)）連接上下主弦桿的兩個高強螺栓分別施加700 N·m的預緊力。

工況二至工況六為損傷狀態(tài)具體損傷模擬如下:其中一個高強螺栓預緊力保持700 N·m不變，另一個高強螺栓分別為預緊力為0；松開0.5扣（約1 mm）；松開1扣（約2 mm）；松開1.5扣（約3 mm）；松開2扣（約4 mm）。

圖2 應變片布置位置及編號圖

實驗過程:開始實驗時液壓系統給液壓缸加壓，液壓缸則給實驗構件施加拉力，當拉力計顯示數據接近20 t，停止加壓轉為保壓狀態(tài)，保壓時間30 s，保壓完成后系統泄壓，至拉力計顯示數據為0時，結束實驗。

實驗進行過程中，應變測試儀和傾角測量傳感器同時采集實驗數據。為保證實驗效果，對以上六種工況重復做三次同樣的實驗。具體實驗方案見表1。

表1 實驗方案表

3 結果與分析

3.1 應變測試數據分析

圖3為結構處于完好狀態(tài)時，加載過程各測點應變變化情況，圖中的數據為Test 02的測試數據，此時兩個高強螺栓的預緊力均為700 N·m。圖4為結構出現損傷時，加載過程各測點應變變化情況，圖4（a）圖中的數據為Test 12的測試數據，此時其中一個高強螺栓的預緊力為700 N·m，另一個被松開約2 mm（1扣）；圖4（b）圖中的數據為Test 18的測試數據，此時其中一個高強螺栓的預緊力為700 N·m，另一個被松開約4 mm（2扣）。

圖3 完好狀態(tài)時加載過程應變圖

從圖3和圖4可以看出，剛剛開始施加載荷時，結構處于完好狀態(tài)時，加載過程中所有測點的初始應變值基本從同一數值開始增加，而結構出現損傷（螺栓松動）時，加載過程中測點S8與其它測點的初始應變值差別較大。即加載過程中，各測點的應變曲線組合形狀隨著結構完好狀態(tài)和損傷狀態(tài)的變化在變化。

圖5為結構處于完好狀態(tài)時，加載過程各方向的彎矩變化情況，圖中的數據為Test 02的測試數據。圖6為結構出現損傷時，加載過程各方向的彎矩變化情況，圖6（a）中的數據為Test 12的測試數據；圖6（b）中的數據為Test18的測試數據。

圖4 損傷狀態(tài)時加載過程應變圖

圖5 完好狀態(tài)時加載過程各向彎矩圖

從圖5、6可以看出，結構的變形敏感方向在完好狀態(tài)時為S1-S3，在損傷狀態(tài)時為S2-S4，即結構在完好狀態(tài)和損傷狀態(tài)時變形敏感方向不同。從圖6可以看出，結構損傷程度增大時，其變形量和變化率均增大。在圖6（a）中S5-S7與S6-S8在加載到約13 s時出現交叉點，圖6（b）中S5-S7與S6-S8在加載到約7.5 s時出現交叉點，即損傷狀態(tài)下，S5-S7與S6-S8在加載過程中出現彎矩相同時刻，且該時刻隨損傷程度的增大而提前。

圖7為穩(wěn)壓時工況一至工況六各個方向彎矩的變化情況，圖8為穩(wěn)壓時上下兩主弦桿對應測點應變之差。

從圖7可以看出，穩(wěn)壓過程中S2-S4為變形敏感方向，其變形的變化方向與其它方向相反。從圖8可以看出，當結構出現損傷時，某些面（S4-S8）應變傳遞出現突變，各個面的上下截面應變之差變化規(guī)律明顯不同。

根據以上應變測試數據，可以看出，結構出現損傷時，其應變總會表現出與完好狀態(tài)時不同的規(guī)律和特征，這些規(guī)律和特征或者是曲線形狀的不同，也或者是變形量、變化率或變化方向的不同。因此，在對結構進行損傷診斷時，可以根據具體情況，測試結構相應位置的應變響應，并提取所需特征，實現損傷診斷，從而避免用結構的振動響應信號作為原始數據進行診斷分析。這對于大型工程結構的損傷診斷尤為重要，因為對大型工程結構來說，其振動數據的 獲取要比應變數據的獲取困難的多。

圖6 損傷狀態(tài)加載過程各向彎矩圖

圖7 穩(wěn)壓時工況一至六各向彎矩變化圖

圖8 穩(wěn)壓時對應測點應變之差圖

3.2 傾角測量傳感器測量數據分析

傾角測量傳感器采集的振動信號以傳感器元件x／y方向傾角位移數據的形式輸出。

圖9為六種不同工況下加載和穩(wěn)態(tài)時傾角測量傳感器獲取的x／y方向數據的平均值，圖10六種不同工況下傾角測量傳感器獲取的x／y方向數據的最大變化范圍。

從圖9與圖10可以看出，從工況三開始x／y方向的傾角變化出現拐點，因此通過傾角測量傳感器的測量數據可以識別出結構是否發(fā)生損傷。

用傾角測量傳感器獲得的測試信號進行結構完好狀態(tài)判別。

提取正常情況下和不同的損傷情況下沿x方向的水平傾角位移變化率作為輸入向量。分別取Gauss徑向基核函數、二次多項式核函數和線性核函數作為支持向量機核函數［12-15］。

取工況一（完好狀態(tài)）、工況三（一個螺栓松開半扣）和工況四（一個螺栓松開一扣）三種情況下各10組數據，每組取64個數據點，作為訓練樣本，輸入支持向量機進行訓練。用工況二（一個螺栓預緊力為0）、工況五（一個螺栓松開1.5扣）和工況六（一個螺栓松開2扣）三種情況各10組數據，每組取64個數據點，作為測試樣本，進行測試。測試結果見表2。

表2 支持向量機測試分類結果

從表2判斷結果看，工況二的判斷正確率較低，是由于工況二時損傷較輕微，測試數據與完好狀態(tài)差別太小造成的；工況五和工況六的判斷結果較好，工況六的判斷正確率較工況五略有降低，是由于環(huán)境因素變化造成的。在試驗中，Gauss徑向基核函數的判斷正確率高于二次多項式核函數和線性核函數。

圖9 不同工況下x／y方向數據的平均值圖

圖10 不同工況下x／y方向的最大變化范圍圖

4 結論

通過本研究可知:

（1）結構出現損傷時，其損傷附近應變總會表現出與完好狀態(tài)時不同的規(guī)律和特征。因此，在對結構進行損傷診斷時，可以根據具體情況，提取相應的應變特征，實現損傷診斷。

（2）損傷特征能夠通過水平傾角位移顯現。當以水平傾角變化率作為特征輸入量，用Gauss徑向基核函數作為核函數支持向量機進行損傷識別測試，判斷正確率最高可達到88.5%。由此可見，塔機鋼結構的損傷特征能夠通過應變特征值和水平傾角位移特征值顯現，用位移變化率作為支持向量機的特征輸入量，能夠實現塔機鋼結構的損傷診斷。

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（責任編輯：吳芹）

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

山東省科技發(fā)展計劃項目（2012GGB01040）；山東建筑大學博士科研基金項目（XNBS1247）

閻玉芹（1968-），女，教授，博士，主要從事鋼結構健康監(jiān)測技術和建筑幕墻技術等方面的研究.E-mail:yanyuqin＠sdjzu.edu.cn