林友新, 賈子光， 任 亮， 李宏男， 成明濤, 張 鵬

(1. 廣東電網(wǎng)公司 電力科學(xué)研究院, 廣州 510080; 2. 大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部, 大連 116024)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及損傷識別是當(dāng)前學(xué)術(shù)界和工程界研究的熱點(diǎn)問題之一。為保證結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)安全使用，防止結(jié)構(gòu)突然失效，應(yīng)及時對結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)做出判斷。目前，已有的各種損傷識別方法多以振動測試為基礎(chǔ)，通過分析比較結(jié)構(gòu)損傷前后動力特性的變化來實(shí)現(xiàn)。這種方法需要準(zhǔn)確判斷損傷發(fā)生的時間，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別[1-2]。

目前大多數(shù)研究成果停留在理論研究層面，試驗(yàn)驗(yàn)證較少。原因在于，結(jié)構(gòu)健康診斷與損傷識別的驗(yàn)證性試驗(yàn)需要在試驗(yàn)前對構(gòu)件進(jìn)行破損處理，即通過削減構(gòu)件截面面積減小構(gòu)件剛度，而試驗(yàn)構(gòu)件破損后不可復(fù)原，從而不便于進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，使結(jié)構(gòu)損傷識別試驗(yàn)周期長、費(fèi)用高，并且少量破損構(gòu)件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性大，難以對理論方法的正確性進(jìn)行充分支持[3]。另一方面，為了在結(jié)構(gòu)動力模型試驗(yàn)中模擬構(gòu)件發(fā)生突然損傷，進(jìn)而判斷損傷時間，需要在結(jié)構(gòu)動力加載過程中改變構(gòu)件的剛度。而如果通過削弱截面的方式減小剛度，則必然與結(jié)構(gòu)構(gòu)件接觸，改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。現(xiàn)在尚沒有一種能夠在模型試驗(yàn)動力加載過程中，瞬時改變構(gòu)件剛度的有效方法。

根據(jù)上述問題，本文提出一種利用磁流變阻尼器模擬受壓構(gòu)件剛度折減的試驗(yàn)方法。將磁流變阻尼器通過連接鉸安裝在受壓構(gòu)件內(nèi)，通過改變磁流變阻尼器通電電流來調(diào)整受壓構(gòu)件的抗壓剛度的大小。在不替換試驗(yàn)構(gòu)件的情況下，該方法可實(shí)現(xiàn)多種損傷工況的模擬。在輸電塔桁架動力模型試驗(yàn)中，利用該方法進(jìn)行了受壓構(gòu)件剛度瞬時折減的嘗試性實(shí)驗(yàn),結(jié)合短時傅里葉變換等信號處理方法，對損傷時間進(jìn)行判別，驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 裝有磁流變阻尼器的受壓構(gòu)件

1.1 磁流變阻尼器簡介

磁流變阻尼器是一種可以通過對輸入電流的調(diào)節(jié)，控制其阻尼力大小的裝置，且具有體積小、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，目前已應(yīng)用于斜拉橋、海洋平臺等結(jié)構(gòu)的隔振、減震控制中。有關(guān)研究表明，磁流變液在不同應(yīng)用電流作用下壓縮模量不同，電流增加引起的磁場增強(qiáng)，會使其壓縮彈性模量顯著增大[4-8]。

利用磁流變阻尼器彈性模量隨通電電流改變這一特點(diǎn)，將磁流變阻尼器以一定的連接方式安裝在受壓構(gòu)件內(nèi)，即可通過改變電流的方式，人為控制受壓構(gòu)件的整體抗壓剛度。且磁流變阻尼器具有響應(yīng)快的特點(diǎn)，可以準(zhǔn)確控制其通電電流變化的時間，進(jìn)而模擬抗壓剛度在指定時間發(fā)生突變。

1.2 磁流變阻尼器安裝方式

圖1為裝有磁流變阻尼器受壓桿件的示意圖。假定原始受壓桿件的總長度為L，截面面積為A。按照磁流變阻尼器的形狀，將原始受壓構(gòu)件的中間部分切除，并在切除部分的兩端設(shè)置連接鉸。將磁流變阻尼器裝入切除部分，并固定在兩個連接鉸之間。這樣，在構(gòu)件受壓力作用時，磁流變阻尼器不會產(chǎn)生由于安裝偏心引起的彎矩作用。

圖1 磁流變阻尼器安裝

1.3 裝有磁流變阻尼器受壓構(gòu)件的整體彈性模量

圖2 裝有磁流變阻尼器受壓構(gòu)件的幾何參數(shù)

受壓構(gòu)件的總長度為L，截面面積為A，如圖2所示。原始材料彈性模量為Es，軸向壓力為F，磁流變阻尼器的截面面積、彈性模量和長度分別為Amd、Emd和Lmd；磁流變阻尼器所在斷面的原始構(gòu)件截面面積為As，磁流變阻尼器以上部分和以下部分構(gòu)件的長度分別為L1和L2，則該構(gòu)件的幾何尺寸滿足下式

L=L1+Lmd+L2

(1)

A=Amd+As

(2)

在軸向壓力F的作用下，設(shè)裝有磁流變阻尼器部分構(gòu)件的變形為Δmd，磁流變阻尼器以上部分構(gòu)件和以下部分構(gòu)件的變形分別為Δ1和Δ2，構(gòu)件的總變形為Δ，則構(gòu)件變形滿足下式

Δ=Δ1+Δmd+Δ2

(3)

根據(jù)材料力學(xué)基本原理[9]，可得

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

將式(8)和式(9)代入式(7)，可得:

(10)

將式(1)～式(6)代入式(10)，可得:

(11)

將式(11)整理，可得:

(12)

式(12)可用于計算裝有磁流變阻尼器的構(gòu)件的整體彈性模量，定義αE為整體彈性模量系數(shù)，則

(13)

(14)

(15)

因此，式(13)可以改寫為

(16)

2 受壓構(gòu)件剛度折減試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)介紹

本試驗(yàn)利用輸電塔空間桁架截斷模型，模擬其在承受動力荷載作用過程中，某關(guān)鍵受壓構(gòu)件發(fā)生瞬時剛度折減，通過對相關(guān)物理量的實(shí)時采集，結(jié)合信號處理方法，判定發(fā)生剛度折減的損傷時間。該模型系角鋼輸電塔結(jié)構(gòu)底部兩層的截斷模型，在模型頂部增加配重以模擬截斷部分以上的質(zhì)量。該模型整體為格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，各構(gòu)件主要承受軸心壓力作用。因此可以使用本文提出的方法進(jìn)行損傷模擬,試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皵?shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皵?shù)據(jù)采集系統(tǒng)

該試驗(yàn)采用的加載裝置為江蘇聯(lián)能公司生產(chǎn)的JZK-20型激振器及配套的功率放大器、信號發(fā)生器。通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器，可使激振器產(chǎn)生幅值為20 kgf的正弦信號、白噪聲信號等。激振器通過自制的活動支架固定在反力墻上，在每個激振器觸頭前安裝力傳感器后與結(jié)構(gòu)固定。激振器、力傳感器的安裝如圖4所示。

圖4 激振器及力傳感器

2.2 磁流變阻尼器的安裝

將桁架模型的一根主要受壓桿件，按照磁流變阻尼器的長度截斷，在截斷端頭部分焊接栓孔，再將磁流變阻尼器通過該栓孔與構(gòu)件相連。安裝時使磁流變阻尼器的中心通過該桿件截面中心。磁流變阻尼器的安裝如圖5所示。

圖5 磁流變阻尼器的安裝

2.3 傳感器及數(shù)據(jù)采集

對于軸心受壓構(gòu)件，其應(yīng)力或應(yīng)變是反應(yīng)其健康狀況的最直接的參數(shù)。本試驗(yàn)采用光纖光柵應(yīng)變傳感器，對上述裝有磁流變阻尼器的受壓構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測。光纖光柵傳感器具有靈敏度高，抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)[10-11]。在角鋼表面焊接傳感器支座，并將傳感器通過螺栓連接固定在支座上，這種方式不破壞原結(jié)果，且確保了光纖光柵傳感器與結(jié)構(gòu)的一致變形。為了驗(yàn)證該試驗(yàn)方法，在磁流變阻尼器所在的模型平面布置了5個光纖光柵應(yīng)變傳感器，測試該構(gòu)件在損傷模擬過程中的動態(tài)應(yīng)變響應(yīng)。其中，B1、B2、B3三個傳感器用于測量豎桿(對應(yīng)輸電塔模型主材)的應(yīng)變，H1用于測量橫桿(對應(yīng)輸電塔模型橫材)的應(yīng)變，X1用于測量斜桿(對應(yīng)輸電塔模型斜材)的應(yīng)變。光纖光柵傳感器的安裝方法及測點(diǎn)布置如圖6、7所示。此外還布設(shè)了一個光纖光柵傳感器以進(jìn)行溫度補(bǔ)償。但由于結(jié)構(gòu)損傷是一種瞬態(tài)變化，溫度變化頻率較低，損傷信號的影響并不明顯。

圖6 光纖光柵傳感器安裝方法

圖7 光纖光柵傳感器測點(diǎn)位置

光纖光柵傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為美國MOI公司生產(chǎn)的光纖光柵解調(diào)儀SM230，它可以同時解調(diào)16個通道的光信號，每個通道可以串接多個傳感器，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的多點(diǎn)測量。采樣頻率可達(dá)到250 Hz，能夠滿足土木結(jié)構(gòu)動態(tài)測量的要求。

2.4 加載及損傷模擬

為獲得較大的響應(yīng)信號，首先利用激振器對結(jié)構(gòu)進(jìn)行白噪聲掃頻，獲得結(jié)構(gòu)的基頻，約為15.4 Hz。然后將激振器的信號發(fā)生器調(diào)頻至15 Hz，輸出正弦波，便可獲得較大的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。在結(jié)構(gòu)加載過程中，利用磁流變阻尼器的電流控制器，調(diào)節(jié)通電電流，即可改變構(gòu)件抗壓剛度，模擬構(gòu)件剛度突變。每次試驗(yàn)加載時間約為40 s，在第20 s附近調(diào)節(jié)電流控制器，使構(gòu)件發(fā)生剛度折減。加載過程中，實(shí)時采集各個傳感器的應(yīng)變響應(yīng)數(shù)據(jù)，而后對該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判定損傷時間。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.1 原始應(yīng)變響應(yīng)時程

圖8列出了加載過程中采集的各個光纖光柵傳感器的原始應(yīng)變時程數(shù)據(jù),為便于觀察，截取了加載過程中20 s附近的時程。對于傳感器B1、B2所在測點(diǎn)，由于距離磁流變阻尼器較近，其在磁流變阻尼器電流調(diào)整前后，可以看出由于剛度突變造成的應(yīng)變幅值發(fā)生變化。在B1、B2兩個時程曲線中，可以粗略判斷應(yīng)變幅值發(fā)生改變的時間接近20 s末，但仍無法判斷損傷發(fā)生的具體時間。

圖8 光纖光柵傳感器應(yīng)變響應(yīng)時程

而對于B3、H1、X1三個應(yīng)變測點(diǎn)，由于距離磁流變阻尼器較遠(yuǎn)，在結(jié)構(gòu)動態(tài)加載過程中，對該位置的損傷極不敏感，根據(jù)這三條曲線已經(jīng)無法分別出剛度折減前后應(yīng)變響應(yīng)幅值的變化并判別損傷發(fā)生的時間。

3.2 基于短時傅里葉變換的損傷識別

3.2.1 短時傅里葉變換

在傳統(tǒng)的信號處理中，傅里葉變換構(gòu)架起了信號時域和頻域的橋梁。然而傅里葉變換只是一種信號的整體變換，只能了解信號在時域或者頻域的全局特性，并不能表達(dá)有關(guān)頻率成分的時間局部化信息。為了彌補(bǔ)傅里葉分析這一不足,針對非平穩(wěn)信號, 引出了時頻分析方法[12-14]。

短時傅里葉變換(STFT，short-time Fourier transform)屬于線性時頻分析中的一種[12,15-16]，其本質(zhì)是加窗傅里葉變換：用窗函數(shù)去截取原始時域信號，對截取的局部信號作傅里葉變換，即得到在t時刻該段信號的頻譜分布。不斷地移動t，即不斷移動窗函數(shù)的中心位置，即可得到不同時刻的頻譜分布，而這些傅里葉變換的合集即是短時傅里葉變換。

當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，其頻率和剛度會發(fā)生改變，在結(jié)構(gòu)響應(yīng)中會出現(xiàn)不連續(xù)的奇異點(diǎn)。利用短時傅里葉變換，可以根據(jù)頻率隨時間的變化，判別損傷發(fā)生的時間。

3.2.2 基于短時傅里葉變換的損傷時間定位

短時傅里葉變換的程序代碼基于LabView軟件平臺編寫，利用STFT Spectrogram模塊實(shí)現(xiàn)短時傅里葉變換，進(jìn)而分析信號在時-頻平面上的能量分布情況。圖9(a)～圖9(c)分別給出了傳感器B1的應(yīng)變響應(yīng)時程曲線，短時傅里葉變換的能量分布，以及16Hz頻率成分的能量密度隨時間的變化關(guān)系。在短時傅里葉變換中，滑動窗口的采樣點(diǎn)數(shù)為32，頻率區(qū)間為默認(rèn)的512 Hz，窗函數(shù)類型選用漢寧窗。從能量分布圖9(b)可以看出，構(gòu)件發(fā)生損傷前后，即調(diào)節(jié)磁流變阻尼器通電電流前后，結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)的頻率成分發(fā)生了明顯的變化。損傷發(fā)生后，在14～16 Hz范圍內(nèi)，能量顯著增大，據(jù)此可以判斷結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷。單獨(dú)提取16 Hz的頻率成分，如圖9(c)，考察該頻率成分在時域上的變化。從中可以看出，該頻率成分的能量在損傷前后發(fā)生突變，從該信號的拐點(diǎn)，即可準(zhǔn)確判別出損傷發(fā)生的時間，為18.4 s。

圖9 B1應(yīng)變響應(yīng)時程曲線及短時傅里葉變換

對B1、B2、B3、H1、X1等全部傳感器的應(yīng)變響應(yīng)數(shù)據(jù)分別做短時傅里葉變換，并提取16Hz的頻率成分，如圖10所示?？梢钥闯?，B1、B2、B3測點(diǎn)的該頻率成分的能量變化曲線可以清晰的分辨出信號突變點(diǎn)，用來準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷的時間。而H1、X1測點(diǎn)由于距離剛度折減位置較遠(yuǎn)，單純由其應(yīng)變響應(yīng)時程信號(圖8)已無法分辨出結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷。而從圖10中H1、X1測點(diǎn)的短時傅里葉變換結(jié)果，則能夠看出16 Hz頻率成分的能量變化，據(jù)此也可以粗略判斷損傷發(fā)生的時間?？傮w來看，各應(yīng)變響應(yīng)信號的短時傅里葉變換結(jié)果趨勢基本一致，均可用于確定結(jié)構(gòu)損傷時間。

圖10 各傳感器16 Hz頻率成分的能量隨時間的變化

4 結(jié) 論

本文提出了一種利用磁流變阻尼器模擬受壓構(gòu)件剛度折減的試驗(yàn)方法，并對其進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。在結(jié)構(gòu)動力加載過程中，調(diào)整磁流變阻尼器的通電電流，來模擬受壓構(gòu)件的剛度瞬時折減。結(jié)合短時傅里葉變換的方法，對損傷時間進(jìn)行定位。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

(1) 調(diào)整磁流變阻尼器的通電電流，可以改變其彈性模量，進(jìn)而改變構(gòu)件的整體抗壓剛度。

(2) 磁流變阻尼器具有響應(yīng)快的特點(diǎn)，可用于模擬結(jié)構(gòu)動力加載過程中的剛度瞬時折減，并準(zhǔn)確控制構(gòu)件的損傷時間。

(3) 原始時域信號經(jīng)過短時傅里葉變換，能夠準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷的時間。

(4) 根據(jù)試驗(yàn)要求，設(shè)計磁流變阻尼器的長度及截面面積，即可改變構(gòu)件的整體彈性模量系數(shù)αE對于通電電流i的靈敏度。此問題有待后續(xù)試驗(yàn)研究。

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