王雪亮+譚柱+王小麗+劉暉

摘要：基于桅桿結構拉耳表面應變對其焊縫裂紋擴展長度的敏感度分析，提出了桅桿結構拉耳焊縫損傷的兩級模糊模式識別方法，并通過試驗研究進行驗證。采用有限元模擬建立了拉耳索力-關鍵點應變-焊縫裂紋擴展長度的模糊模式庫；對16個不同裂紋長度的拉耳模型進行試驗，以實測拉耳表面關鍵點應變?yōu)榇R別樣本，采用模糊模式識別方法對索力及焊縫裂紋擴展長度進行分步識別。結果表明：模糊數據庫中的模擬數據能夠反映拉耳的實際受力狀態(tài)，識別焊縫裂紋擴展長度與實際裂紋長度具有較好的吻合度；對于不同索力及裂紋長度，識別焊縫裂紋擴展長度的誤差在1 mm之內，最大隸屬度均大于0.8，識別峰值明顯；該識別技術具有可行性，是實現桅桿結構損傷智能識別的一種有效手段。

關鍵詞：桅桿結構；焊縫裂紋擴展長度；模糊模式識別；拉耳應變

中圖分類號：TU347 文獻標志碼：A

文章編號：1673-2049（2017）02-0079-07

Abstract：Base on sensitivity analysis of surface strain of ear-plate connection in guyed mast on crack propagation length， a two level fuzzy pattern recognition method was proposed for the damage of welded ear-plate connection in guyed mast， and was verified by experimental study. The fuzzy pattern database of cable forces and key-point strains of ear-plate connections， as well as weld crack propagation lengths was developed by finite element. 16 ear-plate connection models with different crack lengths were tested， and the key-point strains were measured to identify cable forces and weld crack propagation lengths by the proposed method. The results show that the simulated data in fuzzy database can reflect the actual stress state of ear-plate connection， and the identified weld crack lengths agree well with the actual weld crack lengths. For the different cable forces and crack propagation lengths， the error of identified weld crack length is within 1 mm， the maximum membership degree is greater than 0.8， and the recognition peak is obvious. The recognition technology is feasible and is an effective method to realize the damage intelligent identification of guyed mast.

Key words：guyed mast； weld crack propagation length； fuzzy pattern recognition； strain on ear-plate connection

0引 言

桅桿結構由于質量輕、布置靈活等特性在廣播電視、通信氣象、航天航空等領域得到廣泛應用，但國內外桅桿結構的倒塌災害頻繁發(fā)生，對生產生活造成極大損失。這些災害中絕大多數桅桿結構的破壞發(fā)生在風荷載不大的情況下，究其原因主要是風荷載作用下結構疲勞所致[1-3]，而拉耳連接焊縫的疲勞損傷是重要因素之一。由于纖繩和桅桿的耦合作用導致在隨機風荷載作用下產生復雜振動，如橫風振動、側向馳振等，這種長期振動造成了構件和拉耳連接的疲勞損傷，從而導致結構破壞。英國對大量桅桿結構進行工程檢測表明，在桅桿結構中弦桿、腹桿和拉耳連接處經常存在不同程度的疲勞損傷，導致整體結構的承載力下降。拉耳的疲勞損傷常常表現為拉耳焊縫擾動作用下萌生裂紋不斷擴展，最終導致結構斷裂。因此，拉耳焊縫裂紋擴展長度是桅桿結構疲勞損傷程度的一項直觀反映，準確對其識別診斷，及時對桅桿結構損傷程度進行預判，這對預防桅桿結構災害的發(fā)生尤為重要。

國內外學者對桅桿結構的損傷識別已進行了一系列研究，研究成果主要集中在桅桿結構的損傷識別方法[4-5]和桅桿結構桿件的損傷識別研究[6]，以及立柱與基板連接的疲勞分析[7]等方面。對纖繩與桿身的拉耳連接損傷識別研究較少，徐志宏等[8]運用疲勞斷裂力學理論對桅桿結構纖繩與桿身拉耳連接進行了疲勞分析，并應用Forman公式對拉耳進行疲勞壽命預測。Forman公式以已萌生的初始裂紋尺寸為前提，而在實際工程中，由于拉耳遠離地面，實地進行裂紋測量的精度及安全難以保證，采用此方法進行疲勞壽命預測難以保證預測精度。魯麗君等[9-14]對拉耳風致疲勞裂紋萌生與擴展規(guī)律和桅桿結構拉耳節(jié)點焊縫處的裂紋萌生累積疲勞損傷程度評定方法，以及焊縫裂紋擴展的損傷識別等進行了深入的理論研究，并針對拉耳節(jié)點的疲勞壽命進行了試驗研究。在對拉耳連接焊縫裂紋萌生和擴展的理論研究基礎上，如何對拉耳損傷進行現場定位及損傷程度識別是實現桅桿結構智能損傷診斷的關鍵步驟?；趹儨y量的損傷識別方法是最直觀、簡單且非常有效的方法之一[15]。為此，本文在分析拉耳表面應變對焊縫裂紋擴展長度的敏感性基礎上，提出采用模糊模式方法分步識別纖繩索力及拉耳表面應變，同時實現拉耳損傷定位及損傷程度的診斷。為了將此方法推廣于工程實踐，進行了一系列拉耳焊縫損傷的識別試驗，對此方法的可行性和有效性進行了驗證。

1拉耳焊縫損傷模糊模式識別原理

1.1兩級模糊模式識別焊縫裂紋的理論方法

在隨機風荷載作用下，纖繩與桅桿的耦合作用導致纖繩拉力處于長期的復雜變化狀態(tài)，在動態(tài)的索力作用下，拉耳表面的應力表現出明顯的隨機特性。同時，如果拉耳焊縫出現裂紋萌生及擴展，拉耳上的應變分布也將更加復雜，纖繩拉力與焊縫裂紋擴展長度是決定拉耳表面應變分布的2個主要因素。文獻[11]研究表明：拉耳表面應力是拉耳焊縫損傷的主要敏感參數，因此，如果首先確定纖繩拉力，便可通過拉耳表面敏感部位的應變變化識別焊縫裂紋擴展長度，實現對拉耳焊縫損傷程度的診斷。

由于纖繩拉力和焊縫裂紋擴展長度的復雜性及隨機性，導致拉耳表面應力具有強隨機性和可變性。選擇合適的識別方法分析拉耳表面應變變化對進行焊縫損傷的有效識別尤為重要。模糊模式方法作為一種經典的損傷識別方法，具有很好的穩(wěn)定性、魯棒性及容錯性，在分析隨機變化的數據樣本方面具有其他識別方法不可比擬的優(yōu)越性，在風荷載作用下的高聳結構[16]、網架結構[17]等復雜結構的損傷識別中均得到驗證。因此，針對耳板應變的復雜性，提出了采用兩級模糊模式識別焊縫裂紋擴展長度的方法，即建立隨機風荷載作用下桅桿結構的索力均值-關鍵點應變-焊縫裂紋擴展長度的模糊模式庫，在實測中獲得拉耳對應關鍵點應變時程和索力時程后，根據最大隸屬度原則首先識別索力均值區(qū)間，再識別焊縫裂紋擴展長度的可能區(qū)間，兩級模糊模式識別方法具體技術思路見圖1。

1.2索力-關鍵點應變-焊縫裂紋擴展長度模糊模式庫建立[ZK）]

桅桿結構的拉耳通過焊接與主體結構相連接，焊縫為其主要約束條件。纖繩通過拉耳作用于主體結構，拉耳為索力的直接受力部位，拉耳表面應變分布的主要影響因素為焊縫約束條件及索力。當焊縫出現裂紋或索力變化時，拉耳表面的應變分布將相應改變，且三者之間存在一一對應關系。當索力一定時，一些關鍵點應變隨著裂縫長度的增加而減小，而另一些關鍵點的應變會隨裂縫長度的增加而增加；當裂紋不變時，所有關鍵點應變隨索力的增大而增大。因此，依據此一一對應關系，可以采用模糊模式識別方法對裂紋長度進行識別。

為了使模式庫全面反映桅桿結構拉耳在隨機風荷載作用下的應變分布及變化情況，首先對不同風向、不同風速作用下的桅桿結構進行風振響應分析，確定索力均值的最大值、最小值及可能范圍，并將索力均值劃分為h個等級，形成索力均值的模糊模式庫；通過分析拉耳表面應變對焊縫裂紋擴展長度的敏感系數，確定拉耳表面的n個關鍵點，即工程實測應變點。具體做法為：建立具有m個不同焊縫裂紋擴展長度的拉耳三維實體模型，對其在確定的時程索力作用下進行動力響應分析，得到m個裂紋長度對應的拉耳表面k個節(jié)點的應力均值，形成拉耳節(jié)點的m×k維應力均值矩陣，通過對應力均值矩陣進行靈敏度分析，并結合工程實際，確定拉耳上應力對裂紋長度變化反映敏感且便于測量的n個關鍵點；最后計算在h個索力均值作用下m個裂紋長度的拉耳表面k個關鍵點的應變，形成h×m×n三維模式庫，具體流程如圖2所示。針對本文工程案例，為滿足裂紋識別的工程精度，以臨界裂紋長度14 mm為最大裂紋長度，0.5 mm為級差，確定m=28；索力均值的分級主要以其引起的拉耳應變變化及應變片的分辨率確定，將分為10個區(qū)間，h=11；通過數值模擬分析拉耳表面的應變分布，選出n=10個便于測量且對焊縫裂紋敏感的關鍵點。該方法保證了模式庫樣本足夠且便于操作。

1.3索力均值及焊縫裂紋擴展長度的識別原則

工程實測得到索力時程及關鍵點應變后，采用最大隸屬原則首先進行索力均值識別，再進行焊縫裂紋擴展長度的二次識別，以隸屬度最大的焊縫裂紋擴展長度為識別結果，并判斷相應裂紋長度區(qū)間。

最大隸屬度原則相應的隸屬函數Δ（·）[18]為

2試驗方法與過程

2.1工程背景

桅桿結構為平地上的152 m無線電桅桿，如圖3所示，所處地貌為B類。桅桿底座采用單向鉸連接，2層纖繩每層3根互交120°，桿身為鋼管組合結構，主結構平面為邊寬1.00 m的等邊三角形，弦桿和腹桿分別為102/6，54/4鋼管，彈性模量E=2.0×108 kPa，剪切模量G=8.0×107 kPa。纖繩采用鍍鋅鋼絲繩，上層纖繩直徑d1=18.5 mm，橫截面面積A1=2.688×10-4 m2，下層纖繩直徑d2=14.5 mm，橫截面面積A2=1.65×10-4 m2，彈性模量Ek=1.2×108 kPa，纖繩初應力σ0=250 MPa。

2.2模型設計及制作

由于桅桿拉耳遠處部分受力對拉耳局部沒有影響，故選取該桅桿結構55 m處下層拉耳局部桿長571 mm的一段桅桿進行模型試驗，如圖4所示。據此制作了2組帶焊接裂紋拉耳節(jié)點原尺寸模型，共16個模型，裂紋尺寸分別為0，2，4，6，8，10，12，14 mm，試件編號相應為Y1-0，Y2-0，Y1-2，Y2-2等，其中第1個數字為組編號，第2個數字表示裂紋長度。

試件拉耳及鋼管材料均采用Q235鋼，拉耳與鋼管之間采用雙V坡口焊，為E43型焊條，一次施焊完成，表面盡量光滑，無夾渣和凹凸缺陷，盡量滿足焊接尺寸要求，裂紋長度為精密切割的狹縫。另外，根據加載需要，設計制作了特定的加載支撐系統(tǒng)及夾具。

2.3測試點選擇及定位

實際測試中，選擇了應變響應對拉耳裂紋變化敏感的關鍵點作為模糊模式識別樣本，根據文獻[11]中拉耳表面各點應變對裂紋長度的敏感程度分析，并結合應變片的尺寸及測量的可操作性，在敏感度最大的前20個節(jié)點中選擇10個關鍵點作為測試點，關鍵點位置及編號如圖5所示。由于拉耳尺寸限制，根據試驗拉耳兩側表面受力對稱的特點，將應變片隔點粘貼在拉耳兩側，并選用敏感柵尺寸為0.5 mm×0.5 mm的電阻應變片進行節(jié)點應變測量。在恒溫恒濕的試驗條件下，選用1/4橋（多通道共用補償片）的連接方式進行測試，粘貼應變片的試件如圖6所示。

2.4試驗加載過程

在索力-關鍵點應變-焊縫裂紋擴展長度的兩級模式庫中，索力區(qū)間確定后，關鍵點應變與裂紋長度一一對應，因此，可通過測試索力均值作用下拉耳表面的關鍵點應變數據來進行試驗驗證。根據原型桅桿結構風荷載作用下的風振響應分析及索力均值分級，試驗中對試件進行逐級加載，加載范圍為212～275 MPa，每6.3 MPa為一級，即34.98～45.38 kN，每1.04 kN為一級；在正式加載前先施加拉力41.25 kN進行預加載，檢驗試驗設備并消除試件與夾具之間的摩擦。

本文試驗加載設備采用INSTRON1341電液伺服材料試驗機，其荷載量程為±100 kN，荷載測量精度的相對誤差小于等于0.5%。應變測量采用DH3817動靜態(tài)應變測試系統(tǒng)，加載設備如圖7所示。

3試驗結果與分析

試驗過程中加載正常，受力平穩(wěn)，應變數據顯示正常，各關鍵點應變在逐級加載情況下線性關系良好，個別值有跳躍。將試驗測得的應變數據進行整理，取持時階段的穩(wěn)定值為該索力值對應的應變測試值進行分析。

3.1應變數據對比

將2個相同擴展裂紋長度的試件所測得的關鍵點應變與模擬值對比，在索力243.5 MPa作用下不同焊縫擴展長度的試件應變對比如圖8所示，其他索力作用下的關鍵點應變具有相似的對比結果。

由圖8可知，測量數據大多位于模擬數據上下兩側，數值相近，僅個別關鍵點應變測量值與模擬值差距較大，這主要是由于這些測點離裂紋太近，受裂縫影響而產生附加應變，在實測中應盡量避開。另外，相比模擬分析而言，試驗測試受試件尺寸誤差、裂紋切割長度誤差、測試系統(tǒng)誤差、應變片定位誤差、裂紋周圍焊接殘余應力等的影響，導致所測數據與模擬數據不完全相等，但2組試驗數據均值與模擬數據吻合較好。

3.2焊縫裂紋擴展長度識別

由于桅桿結構風致響應的不確定性，試驗模型及測量誤差等導致焊縫裂紋擴展長度識別存在困難，而模糊模式識別對不確定性的數據處理具有強大的容錯性，故采用公式（1）～（3）進行隸屬度計算及長度識別。索力243.5 MPa作用下試件裂紋長度的識別結果如表1所示。

由表1可知：識別裂紋長度與實際裂紋長度基本相吻合，最大誤差為1 mm，相應隸屬度在0.8之上，完全滿足工程診斷精度，其他受力情況下的識別結果與索力243.5 MPa時的識別情況基本一致。識別存在偏差及隸屬度不高主要由以下原因所致：①裂紋切割誤差、焊縫夾雜及應變測試誤差；②受儀[LL]器電頻噪聲、周圍環(huán)境噪聲、電纜連接絕緣等因素的影響，電阻應變片測量的應變數據精度不足；③個別測點數據無效導致樣本量減少。為了進一步說明識別的具體過程，圖9給出了一組模型在不同索力作用下的裂紋長度隸屬度。

由圖9可知：隸屬度在裂紋長度區(qū)間具有明顯的峰值，可以直觀有效地識別出裂紋長度，其他工況下的識別結果也具有顯著的峰值。在試驗條件下，采用電阻應變片測量應變，并采用兩級模糊模式識別方法是非常有效的，無論索力或裂紋長度如何變化，由模糊模式庫計算隸屬度進行裂紋識別均可將識別結果控制在可靠的區(qū)間內，識別效果良好。

4結語

（1）綜合考慮纖繩索力和焊接裂紋長度對拉耳應變的影響，以拉耳表面應變?yōu)榇R別樣本，采用兩級模糊模式識別方法對拉耳焊縫進行損傷識別的技術是實現桅桿結構拉耳智能安全預警技術的有效途徑。

（2）在應變測量具有一定誤差的情況下，采用兩級模糊模式方法，最大隸屬度在裂紋長度的有效區(qū)間內存在明顯峰值，識別誤差最大為1 mm，滿足工程識別精度要求。模糊模式識別方法適用于隨機風荷載作用下由于纖繩和桅桿耦合作用產生的復雜振動所導致的拉耳疲勞損傷識別，具有較強的工程實踐性。

（3）索力-拉耳關鍵點應變-焊縫裂紋擴展長度空間模糊模式庫能夠反映桅桿結構在隨機風荷載作用下纖繩索力及焊接裂縫擴展時拉耳表面關鍵點應變的所有狀態(tài)；所選拉耳表面10個關鍵點的應變對焊縫裂紋擴展長度具有足夠的敏感度，采用本文建立的隸屬度函數在應變測量存在一定誤差的前提下識別結果仍具有很高的辨識度。

參考文獻：

[1] GIOFFRE M，CAVALAGLI N，GUSELLA V.Movable Guyed Masts Affected by Wind Loads：Buckling and Stochastic Response[J].Structure Control and Heath Monitoring，2008，15（3）：299-314.

[2]REPETTO M P，SOLARI G.Wind-induced Fatigue Collapse of Real Slender Structures[J].Engineering Structures，2010，32（12）：3888-3898.

[3]徐建波，鄧洪洲，王肇民.考慮非高斯和寬帶修正的桅桿風振疲勞分析[J].同濟大學學報：自然科學版，2004，32（7）：889-892.

XU Jian-bo，DENG Hong-zhou，WANG Zhao-min.Study on Stochastic Fatigue of Guyed Masts Under Wind Load Considering No-Gaussian and Wide-band Modification[J].Journal of Tongji University：Natural Science，2004，32（7）：889-892.

[4]周 凌，程 華，王仲剛，等.基于WVD交叉項統(tǒng)計特征的桅桿結構損傷識別[J].土木建筑與環(huán)境工程，2009，31（4）：13-18，30.

ZHOU Ling，CHENG Hua，WANG Zhong-gang，et al.Damage Identification for Guyed Mast Based on WVD Cross-term Statistic Distinction[J].Journal of Civil，Architectural & Environmental Engineering，2009，31（4）：13-18，30.

[5]程 華.基于時頻分布的桅桿結構損傷識別方法及試驗研究[D].重慶：重慶大學，2005.

CHENG Hua.A Time-frequency Damage Identification Method and Experimental Study for Guyed Masts[D].Chongqing：Chongqing University，2005.

[6]瞿偉廉，彭 琦.桅桿結構豎向桿件損傷位置識別的時域方法[J].地震工程與工程振動，2007，27（5）：110-116.

QU Wei-lian，PENG Qi.Damage Detection Method for Vertical Bars of Mast Structure in Time Domain[J].Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2007，27（5）：110-116.

[7]ROY S，PARK Y C，SAUSE R，et al.Fatigue Resistance of Pole-to-base Plate Connections in High Level Lighting Structures[C]//ASCE.Proceedings of 2010 Structures Congress.Reston：ASCE，2010：170-180.

[8]徐志宏，鄧洪洲.桅桿結構纖繩與桿身連接拉耳風致疲勞壽命預測[J].特種結構，2004，21（3）：25-27.

XU Zhi-hong，DENG Hong-zhou.Prediction on Wind-induced Fatigue Service Life of Ear-plate Connection Between Cable and Tower of Guyed Mast[J].Special Structures，2004，21（3）：25-27.

[9]魯麗君.桅桿結構纖繩連接拉耳風致疲勞裂紋萌生與擴展壽命預測[D].武漢：武漢理工大學，2008.

LU Li-jun.Prediction of Germination and Propagation Life of Wind Induced Fatigue Crack of Ear-plate Connecting Guyed-mast to Cables[D].Wuhan：Wuhan University of Technology，2008.

[10]瞿偉廉，魯麗君，李 明.桅桿結構纖繩拉耳任意形狀孔邊裂紋SIF計算[J].武漢理工大學學報，2009，31（1）：54-58.

QU Wei-lian，LU Li-jun，LI Ming.Calculation of Stress Intensity Factor of Crack at Hole for Ear Plate Connecting Cable with Guyed Mast[J].Journal of Wuhan University of Technology，2009，31（1）：54-58.

[11]王欣學.桅桿結構拉耳焊縫三維穿透裂紋擴展的模糊模式識別方法[D].武漢：武漢理工大學，2010.

WANG Xin-xue.Fuzzy Mode Identification Method for Propagation of 3-D Straight Through Crack of Ear Plate of Mast Structure[D].Wuhan：Wuhan University of Technology，2010.

[12]王文利.桅桿結構拉耳裂紋萌生的疲勞損傷評定[D].武漢：武漢理工大學，2008.

WANG Wen-li.Evaluation on Fatigue Damage of Guyed Masts Ear-plate[D].Wuhan：Wuhan University of Technology，2008.

[13]王文利，瞿偉廉，皮永林.考慮焊接殘余應力的桅桿結構拉耳節(jié)點風致疲勞裂紋萌生壽命評定[J].土木工程學報，2010，43（增2）：22-27.

WANG Wen-li，QU Wei-lian，PI Yong-lin.Assessment of Wind-induced Fatigue Crack Initiation Life at Guyed Mast Ear-plate Joints Considering Welding Residual Stresses[J].China Civil Engineering Journal，2010，43（S2）：22-27.

[14]賈志偉.桅桿結構拉耳焊接節(jié)點疲勞試驗研究[D].武漢：武漢理工大學，2012.

JIA Zhi-wei.Experimental Study of Fatigue Life for Guyed Masts Earplate Welded Joint[D].Wuhan：Wuhan University of Technology，2012.

[15]王藝霖，劉西拉，方從啟.基于應變指標的橋梁損傷識別方法[J].建筑科學與工程學報，2011，28（2）：62-68.

WANG Yi-lin，LIU Xi-la，FANG Cong-qi.Bridge Damage Detection Method Based on Strain Index[J].Journal of Architecture and Civil Engineering，2011，28（2）：62-68.

[16]王清濤.基于模糊模式識別的風力作用下高聳結構應力場的識別[D].武漢：武漢理工大學，2008.

WANG Qing-tao.The Distinguish of Tall and Erect Structure Stress Ground Under Wind Load Based on Blurred Mode Distinguish[D].Wuhan：Wuhan University of Technology，2008.

[17]王 倩.網架結構節(jié)點焊縫拉裂等效有限元模型與損傷識別[D].武漢：武漢理工大學，2015.

WANG Qian.Equivalent Finite Element and Damage Identification on Joint Weld with a Crack of Grid Structure[D].Wuhan：Wuhan University of Technology，2015.

[18]郭桂蓉.模糊模式識別[M].長沙：國防科技大學出版社，1992.

GUO Gui-rong.Fuzzy Pattern Recognition[M].Changsha：National University of Defense Technology Press，1992.