基于输电塔法兰联接节点螺栓松动等效模型及风振响应分析

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武汉理工大学硕士学位论文输电塔法兰联接节点螺栓松动等效模型及风振响应分析姓名：徐永波申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：瞿伟廉20070501 武汉理工大学硕士学位论文中文摘要输电铁塔是一类应用广泛的高耸塔架结构型式。输电线路工程是重要的生命线工程，而输电塔是其重要组成部分。钢管塔是输电塔中常用的一类结构形式，在这类结构中，钢管主要通过法兰螺栓和焊接联接。由于螺栓和焊缝在长期的风荷载引起的结构振动中会产生松动或裂缝，如不及时发现，则会进一步造成损伤的扩展，在强风作用下甚至会引起结构的倒塌，因此及时进行结构节点损伤的诊断是十分必要的。目前，利用大型结构损伤诊断进行人工激励，操作成本和难度均比较大，那么基于环境激励的损伤诊断方法成为一种应用前景较好的选择，基于此，本文进行了输电塔法兰联接节点螺栓松动前后的风致响应分析，为实现输电铁塔的损伤诊断工作做了铺垫。本文的主要工作如下：1、本文采用谐波叠加法进行了脉动风荷载的模拟，并与达文波特谱比较，验证了本文模拟风荷载方法的可行性。2、从前人的研究可看出，螺栓松动可以等效为螺栓联结构件的刚度折减。本文在把螺栓松动损伤等效为法兰联结处等效杆件刚度下降的基础上，通过优化等效的方法建立了有螺栓松动损伤的输电塔损伤简化等效模型。3、本文采用梁单元模拟输电塔结构杆件，采用空间直线单元模拟导线，运用MATLAB编程，建立了输电塔体系的有限元模型。运用NEwlDN-娜HON方法进行了输电塔线体系静力分析，用Ncwmrak-6法进行了输电塔线体系的动力分析．4、本文对输电塔法兰联接节点螺栓完好和松动状态下结构的风致响应进行分析，就螺栓松动对输电塔线体系及局部响应的影响得出了相关结论，为后续的输电塔法兰联接节点螺栓松动损伤诊断研究作了准备。关键词：输电塔结构，螺栓松动损伤，等效，风致响应 武汉理工大学硕士学位论文TransmissionTowerisakindofwideappliedHigh-riseTowerstructurespaHern．TransmissionlinesystemisallimportantfifelineprojectandtheTransmissionToweristhemaincomponentofthissystem．St∞ITubeTowerisakindoftransmissiontowerstructurewhichisalwaysused．Thesteelpipemainlyjoinsthroughtheflangeboltandtheweldinginthisstructure．Theboltandtheweldedjointbecomelesscrowdedorcrackinthestructurevibr甜伪underthelong-termwindload．Ifdiscoverednotpromptly,itcouldfuitherCreatethedamageexpansion．Itevencouldcal珏；estructurecollapseunderthegalefunction,sothejointdamagediagnosisofstructuresispromptlyextremelyessential．Atpresent,INLrl'ieSonthemanualdriveoperatinghaveheavydifficultyandhighcoststodamagediagnosisofthelarge-scalestructure．ThenstructuraldamageidentificationmethodbasedOllambientexcitationbecomesonekindofapplicationprospectgoodchoice．Basedonthis，thisarticlecarried011analysisOllwindresponsesaroundthetransmissiontowerdamage．Thisstudyofferscertainbasefortheresearchofdamagediagnosisofthetransmissiontowerstructure．nemainresearchisasf0[10ws：1．Inthispaper,theauthorsums叩themethodofthepulsatingwindloadsimulation,andusethree—seriesmethodtosimulatethepulsatingwindload．2．Wecalls∞frompredecessor'sresearchthattheboltbecomcslesscrowdedmayequivalenttheStiffnessReductionofthemember．Onthebasisofthat,theauthorhasestablishedthecompleteandloosefiniteelementmodeloftheboltinflangejoint．3．Spatialbeamelementandspatialstraightlineelementareusedtobuildafiniteelementmodel呷M)ofTransmissionTower-lineSystemwiththeMATI．AB．StaticanalysisisappliedtoTransmissionTower-llneSystembyNewton—Rapshonmethod,alsodynamicAnalysisisalsoappliedtothesystembyNewraark-B．4．Wind-inducedResponseAnalysisoftheTransmissionTower-lineSystemwiththeboltconnectionundersoundandloosenconditions,educedtheinfluenceofboltconnectionIoosenforTransmissionTower-lineSystemandLocal．AndconclusionⅡ 武汉理工大学硕士学位论文wasgiven，whichmakesthepreparationforthefollowingstudyofdamagediagnosisforboltconnectionloosenofTrmismissionTower-lineSystem．Keyword：TransmissionTowerstructure，thedamageofBoltLooseness,EquivalenceofBoltedLooseness，Wind-inducedResponse．HI 武汉理工大学硕士学位论文第一章绪论1．1研究课题的提出和意义本文为“输电塔法兰联接节点螺栓松动损伤诊断”研究的前期准备工作。在世界范围内，自本世纪初开始修建的大量土木结构己纷纷超过其相应的设计年限。对这些年久失修的工程结构进行定期的安全检查，己逐渐提上了各国政府的工作日程。如果结构本身损伤严重，从结构强度的安全角度和维修费用等经济角度考虑己无维修的必要，则可将结构废弃；如果结构整体上仍具有较高的结构强度和安全性，仅仅在局部出现了结构损伤，则可以对损伤部位进行维修与补强。所有这些结构都面临着一个相同的问题：如何判断损伤发生的部位和相应的严重程度。这就是结构诊伤技术所需要解决的问题而当工程结构在遭受地震、风等自然灾害损伤后对结构损伤的部位和损伤程度迅速作出准确的测定，也是及时而经济地对损坏结构进行修复工作的重要前提。而传统的损伤诊断技术往往受天气影响、设备装置费时费力、诊断过程复杂等原因不能满足这样的要求．智能化的结构动测诊伤装置，正是解决这样问题的理想方案，因而建立结构损伤监测系统成为结构工程的热门课题。输电铁塔、电视塔等高耸塔架结构是一类应用广泛的结构型式。在这类结构中，节点多用螺栓或焊缝联结。由于螺栓和焊缝在长期的风力引起的结构振动中会产生松动或裂缝，如未及时发现，则会造成节点损伤的扩展，在随后的强风或地震作用下会引起结构的破坏甚至倒塌，这不仅严重地影响人们的生产建设、生活秩序和抗震救灾工作，而且还会产生重大的次生灾害，给社会和人民的生命财产造成巨大的损失。在我国，输电塔系统的破坏情况还是比较严重的。近年来，我国发生了多器输电线路的倒塌事故，其中1992年和1993年我国500KV高压线路连续两次发生倒塌事故，特别是葛双回路一次性串倒7基塔，造成了很大影响。因此进行结构节点损伤诊断十分的必要【l,2,31。输电铁塔结构由于杆件众多，并且由于高压输电塔特别是跨江，跨峡谷的输电塔高度较高，不便于直接施加激励，那么运用结构的环境激励进行结构损伤诊断是值得研究的一个问题。相对于人工激振，环境振动需要简单的试验装 武汉理工大学硕士学位论文各和少量的试验仪器，环境振动能够进行结构的全尺度的测量。对于处于工作状态的工程结构，人工激振试验要求较大的激励力使结构产生有用的响应。外力通常施加在建筑结构的顶部，这将突出振动的激励模态，在结构上部有大的振幅。另外，相对于环境振动，人工激振的振动传播途径是不同的。上述因素决定了环境振动方法比人工激振方法更适合于工程结构损伤诊断14】．1．2结构损伤诊断技术的发展和研究现状1．2．1结构损伤识别的基本问题结构损伤实际上是结构性态的改变，结构损伤识别就是要根据结构性态的变化去判断结构损伤的情况。结构损伤识别的基本问题有三个H：①判别结构是否有损伤；②判别结构的损伤位置；③判别结构的损伤程度。通常的方法有同时求解三个问题，或分两步进行：先求解问题①和②，再求解问题③，即先识别结构损伤的出现和位置，再识别结构损伤的程度。此即是通常所谓的“两步法。1．2．2损伤诊断的发展结构损伤识别最早被应用于机械、航空领域。后来在20世纪60年代初期，由于航空、军工的需要，结构的损伤检测发展起来，并发展了一系列的无损检测技术。∞年代以后，计算机技术、信息技术和人工智能等学科的知识不断被应用到结构损伤检测中，人们不仅应用各种检测手段和检测工具在现场对结构进行测试，还应用各种理论方法在计算机上结合有限元计算对结构的损伤状态进行分析，来识别在现场无法察觉的结构损伤一。在近些年，随着我国大型土木工程的兴建和近年来工程事故的增多，重者整座桥梁或建筑物坍塌，造成巨大的经济损失和人员伤亡。因此结构损伤检测得到了极大的重视。为了能够及时获得结构的健康状态信息，靠对结构偶尔进行的测量是无法满足要求的。健康监测旨在对结构进行长期的在线监测，以实时地动态地了解结构性能，对结构安全性作出即时的评估。长期健康监测系统由永久性安装在结构上的传感器和数据采集输出等软硬件设备组成的系统，它以结构的荷载、环境、响应等为监测对象，为及时地评价结构的健康状态提供2 武汉理工大学硕士学位论文了丰富的资料，可实时地通过现场安装的损伤检测仪器和计算机辅助完成的损伤识别技术对结构的健康状态作出评价。结构健康监测的核心问题之一，就是结构损伤识别。1．2．3损伤诊断的研究现状土木工程结构损伤检测技术一般可分为局部检测和整体检测两大类。局部检测与评定针对的对象是具体可疑的结构构件，即通常所说的无损检测与评价，其技术已经比较成熟，如声发射法、超声法、射线法、涡流法、光学诊断法、磁粉法、泄漏法、红外诊断法、探地雷达法等，局部检测目的性极强，检测结果具体、准确，一般也要求能触及被测构件，多用在结构目标部位的常规检测，检测结果可直接作为结构维修加固的依据。其缺陷是工作繁琐，费用高，无法对大型复杂结构或事先无法预测损伤位置的结构是进行全面检查，只有在整体检测方法确定目标部位以后使用较为合适，而且无法给出整体结构的受损程度信息。因此，人们试图通过对结构整体特性和响应(如变形、频率、相位、振型、阻尼与状态反应等)的测量和分析对结构损伤进行检测与评价，这就是整体检测法，它可以确定损伤存在的可疑区域和损伤程度。整体检测法是一个结构分析的反闯题，在已知结构响应和荷载作用，甚至只知道结构响应的情况下确定结构参数，并进一步预测结构性能。两种损伤检测方法各有侧重点，在大型土木结构的损伤检测中将整体检测法和局部检测法结合起来使用效果较好．首先由整体检测法确定损伤的大致位置，然后由局部检测法对该处的各部件进行具体详细的检测。实际上，重大工程结构上布置的监测元件，既有局部检测元件，亦有整体监测元件，如进行位移、速度和加速度等监测的结构整体性态传感器和进行应力、应变、累积耗能、裂纹等监测的结构局部性态传感器，为两种方法的结合奠定了基础。结构整体检测法按测试方式又分静力检测方法和动力检测方法。传统的静力检测技术是对结构进行静载试验，量测与结构性能相关的静力参数，如变形、挠度、应变、裂缝等，通过对这些参数分析，可直接判定结构静承载能力，并得出结构的强度、刚度及抗裂性能。一般情况下，要达到结构损伤检测的最终目标，静力试验方法是最直观、直接和精确的方法，同时也能够通过静力荷载试验所获得的结构变形数据进行损伤定位和损伤程度估计。但静力试验耗资、3 武汉理工大学硕士学位论文费时，而且还要对结构的正常使用实行管制，影响当地的正常社会生活和经济建设。基于静力试验的上述不足，许多技术人员转而借助动力试验方法问接确定结构的健康状况、损伤情况及承载能力。另外，对承受静、动力荷载的结构，如桥梁结构、高层建筑和海洋平台等，动力试验是静力试验所无法替代的，它可以提供自振频率，振型和阻尼等结构动态参数，因为在实际工程中常常出现结构在较小动力荷载作用下发生破坏的情况。同时振动测量是最常用的一种整体检测方法，也是一种无损检测方法。因为损伤引起的结构参数变化会改变结构的动力特性，而动力特性的变化可以通过现场的动力试验测量得到，因此，自然就可以利用测量结构动力特性的变化来识别结构的损伤。使用振动测试方法，可以在整体意义上检测结构的损伤，包括处于难以触及位置的损伤。另外，结构动态检测方法同传统的无损检测技术相比，具有信号易于提取，操作起来简单、快捷、经济等优点。基于振动的损伤识别方法[6,7,s,91的核心问题之一是寻找与结构动力特性密切相关且对结构损伤敏感的损伤参数，如频率、振型、阻尼等【10,11,12,13,141，通过这些动力参数的变化判断结构损伤情况。根据动力测试数据种类和由测试数据进行识别的方法不同，基于振动测试的结构损伤识别方法大致可分为基于参数识别的动力指标分析法、基于有限元模型的修正方法和直接基于测试信号的损伤识别方法。结构的动力指标一般根据实测信号，由参数识别的方法间接得到。动力指标类方法简单易行，在一定程度上能识别损伤，但损伤识别的定位能力较差。一个关键的问题是这些结构动力的指标一般是结构整体特性的反映，对结构微小的损伤不敏感，因为结构损伤恰恰是局部的，这样往往导致损伤识别，特别是损伤定位和损伤程度识别效果不尽人意。此外，动力指标类方法中的动力指标一般对噪音和环境因素较敏感，给工程实际应用带来一定的困难。而有限元模型修正方法在划分和处理子结构上具有很多优点，但是在实际应用中，由于测试模态集不完备、测试自由度不足以及测量信噪比低等原因，很少能够给出修正所需的足够信息，易产生病态方程，常导致解的不唯一性。所以在将有限元修正方法应用于土木工程结构的损伤识别、既有结构的承载力评定和结构的长期健康监测中时，仍存在许多问题需要很好地解决。而直接基于振动测试信号的结构损伤识别方法，避免了模态参数识别这一中间过程，具有显著的优点。这类方法采用数字信号处理方法直接对结构响应信号进行分析和处理，根据信4 武汉理工大学硕士学位论文号参数的变化或统计，达到损伤识别的目的。常用的信号处理方法有傅立叶变换、小波变换、基于经验模态分解法(EMD)的Hilbert·Huang变换(HI-n')等。本文所做的工作。就是为选择适当的方法做准备““。13高耸结构及输电塔结构风振响应研究现状风荷载对高耸塔架等柔性结构体来说是非常重要的荷载因素，有时甚至是其控制荷载【15’16,17,18,19捌。尽管风的作用没有地震那么强烈，但由于风的作用极其频繁，实际上风对结构物产生的灾害也比地震灾害大的多。对于输电塔结构，其联接螺栓松动以及最后的损伤扩展也通常由风荷载长期作用引起。因此，进行输电塔结构螺栓松动损伤诊断，探索基于环境激励的损伤检测方法，有着重要的意义。由于结构环境振动的振幅是小的，环境振动试验描述结构振动的线性行为．它们被利用来描述损伤结构的线性行为和振动响应的组成部分，也被研究者用来发展时域和频域模态分析理论模型和算法，这些理论模型和算法能被用在工程结构的健康监测和振动控制方面。环境振动的振动源是风、微小的颤震、微小的地震和各种随机与周期载荷，相对于人工激振，环境振动需要简单的试验装备和少量的试验仪器，环境振动能够进行结构的全尺度的测量。对于处于工作状态的工程结构，人工激振试验要求较大的激励力使结构产生有用的响应。外力通常施加在建筑结构的顶部，这将突出振动的激励模态，在结构上部有大的振幅。另外，相对于环境振动，人工激振的振动传播途径是不同的。上述因素确定了环境振动方法比人工激振方法更适合于用来识别工程结构损伤诊断方法【2l,22,23,24,251。一基于此，研究结构损伤前后的风振响应，对实现结构损伤诊断有重要意义。1．3．1高耸结构的分类及发展高耸结构亦称塔桅结构f151，是指其宽度远小于高度的细长结构。它具有高度高、重量轻、刚度小、外形细长等特点，高度可达几百米，长细比可达几十甚至上百。高耸结构广泛应用于电力、通讯、广播电视、交通等领域，在生产和生活中发挥着重要的作用。高耸结构按用途可分为电视塔，输电塔、通讯塔、烟囱等多种类型。大型5 武汉理工大学硕士学位论文电视塔无疑是最具有代表性的高耸结构，但高耸结构应用最为广泛的领域是在输电线路塔和微波通讯塔。我国高压和超高压输电线路建设始于20世纪50年代初，国内第一条220kV输电线路在东北地区兴建；70年代西北地区建成330kV输电线路；80年代建成了多条500kV输电线路。目前在运行的超高压500kV的输电线路已有近20000l强，还有更多的220k、‘330kV输电线路也在运行中[181。1．3．2高耸结构风振响应研究现状对高耸结构风振响应的理论研究始于20世纪60年代，Dav锄pon【衢矶船l在Liepmann抖振理论的基础上建立了用于估算高耸结构和高层建筑顺风向风振响应的“阵风荷载因子”法，同时提出了等效静力风荷载的概念。他的理论成为了此后风工程领域的土要研究方向之一，是结构风工程研究的一个重要里程碑。此后的十年内，很多学者根据Davenport的理论，用数值计算的方法对结构的风振响应进行了研究。高耸结构风振响应的一个重要研究方向是将阵风因子法和等效静力风荷载理论从顺风向扩展到横风向和扭转。张相庭等对高耸结构顺风向响应、横风向响应以及风与结构的耦合作用进行了研究[29,30,31】：楼文娟、孙炳楠【32,33,．U1对大跨越输电塔进行了数值计算分析和风洞试验研究：王肇刚堋、瞿伟廉[351等对高耸结构的风振控制以及桅杆结构的风振响应进行了理论和试验研究。结构风工程学科经过几十年的发展，己经总结出一些计算结构风效应的理论方法。各国的设计规范也对结构的抗风设计作出了相应的规定。但由于风荷载本身的随机性以及对建筑物作用形式、作用机理的复杂性，使得人们对结构的抗风设计和计算还存在很多困难，很多情况下仍然要依靠风洞试验等手段作为理论计算的依据。1．3．3输电线路风振响应研究进展风荷载是输电线路设计中重要的荷载之一，特别是线路跨越江河、峡谷等大风地带时，风荷载成为控制性荷载。动力风荷载需要通过理论和实验的方法，根据风特性、结构自振特性以及风和结构相互作用的气动性能等三方面的参数才能加以确定，因此，动力风效应分析的正确性和精度将关系到高耸结构设计6 武汉理工大学硕士学位论文的合理和安全。风对输电线路结构的作用由于风这种自然现象的不确定性及线路各构件间的构造关系、构件本身的力学特性的多样性而显得非常复杂。1961年，达文波特(Davenpoa)首先把统计学的概念应用于工程结构的风荷载上，并以统计学理论为基础，得到了典型的风速谱曲线。达文波特风速谱被包括我国在内的许多国家规范采用，在结构风工程中有重要影响。风荷载可以从两方面加以分类，一是以风作用方向划分，风作用到结构上的力有顺风向作用也有横风向作用；--是时间域的划分，即由于风的脉动，风对结构可造成长周期的稳定风作用和短周期的脉动风作用，前者一般作为静力考虑，后者对结构的影响则具有较大的随机性。目前在输电塔的设计中，我国采用线路所在地的10分钟最大平均风速来计算风荷载。考虑到风的脉动成分对结构的影响，并依据线路的重要性，引入了风振系数的概念调整基本风压，从而转换为等效静风荷载进行计算。如我国的设计技术规程规定，对60m以上的杆塔，考虑阵风的振动作用，塔身风荷载应乘以风振系数，铁塔取1．5，拉线杆塔取1．25。对于导线的风振系数尚缺乏统一认识，故多数国家(包括我国)均未计入．由于脉动风荷载的复杂性，等效静力风荷载的设计方法具有一定的局限性，对于各种具体的塔架结构形式不具有普遍适用性。高耸格构式塔架结构的风振理论分析方面，大部分的研究都集中在顺风向的抖振分析上，主要的分析方法有基于脉动风速谱在频域中的随机分析和时域中的时程分析。从实用角度看，频域方法比较直接，而时域分析所需计算量较大，但可以考虑结构的非线性。实测及风洞试验结果表明，高耸塔架的横风向风振响应较为突出，甚至可能大于顺风向风振响应，但这方面的理论研究较为少见。1．4本文所做的主要工作如前文所述，输电铁塔等高耸结构是一类广泛应用的结构形式。在这类结构中，节点是用螺栓或焊缝联结的。螺栓或焊缝在长期风荷载的作用下，会出现螺栓松动或焊缝产生裂缝，如不及时发现，则会造成节点损伤的扩展。因此，进行结构节点螺栓松动和焊缝产生裂缝的损伤诊断是十分必要的。本文所作的7 武汉理工大学硕士学位论文工作是为“输电塔法兰联接节点螺栓松动损伤诊断”的研究作准备。如前文所述，对于大型结构，运用人工激励的方法来获取就结构的振动特性参数是有难度的。因此，探询利用环境激励的方法来获取结构的振动信号，进而更进一步的获取结构振动特性、进行结构损伤是非常必要的。基于此，本文做了如下工作：1、本文归纳了常用脉动风荷载模拟的方法，并采用谐波叠加法进行了脉动风荷载的模拟。2、从前人的研究可看出，螺栓松动可以等效为螺栓联结构件的刚度折减。本文在把螺栓松动损伤等效为法兰联结处等效杆件刚度下降的基础上，通过优化等效的方法建立了有螺栓松动损伤的输电塔损伤简化等效模型。3、本文运用MATALB语言建立了输电塔线体系的有限元模型。其中塔架结构采用空间梁单元，绝缘子和导线用预拉力空间直线单元。运用Ncwton-Rapshon方法进行了输电塔线体系静力分析，用N锄rk-B法进行了输电塔线体系的动力分析．4、对输电塔线体系法兰联接节点螺栓未松动和松动状态下结构的风致响应分析，得出螺栓松动对输电塔线体系及局部响应的影响的相关结论，为后续的输电铁塔法兰联接节点螺栓松动损伤诊断研究作了准备。8 武汉理工大学硕士学位论文2．1引言第二章风荷载及脉动风荷载模拟空气的流动形成风，大气流过地面时，地面上的各种粗糙元对空气运．动有摩擦作用，并且这个摩擦作用随高度的增加而减弱，当达到某一高度后摩擦力便可忽略，大气能够在气压梯度作用下自由流动。从地表到大气能自由流动的高度范围内被称为大气边界层，此高度称为大气边界层厚度。一般情况下，大气边界层的厚度为300-500m左右，地表越粗糙，边界层越厚。靠近地面的流动风，常称为近地面层风或简称为近地风。由于大部分的建筑物都在这个范围内，因而有必要研究近地风的特性。风是空气的流动，必然就有速度。从顺风向的实测时程曲线记录来看，可将风速看作为由两部分组成；第一部分是长周期部分，其周期大小一般在lOmin以上：另一部分是短周期部分，其周期常常只有几秒至几十秒。根据上述两种成份，实用上常把风分为平均风(1lp稳定风)和脉动风(常称阵风脉动)来加以分析。计算高层、高耸塔架结构动力风振响应的一个有效方法是MonteCarlo法例；即根据某些既定的统计参数产生一系列的时程样本，再对每个样本函数进行线性或非线性的结构分析。在结构特定点上的风速通常认为是稳定的随机过程，其特性可完全由谱密度函数确定。目前，通常对于风敏感复杂结构的风振响应分析和风振系数的求解主要有以下4种方法141】：(1)频域分析法。由通用风速谱或由风洞试验测得的风压时程通过傅立叶变化直接转化为风压谱，通过动力传递系数得到动力反应谱，由随机理论通过反应谱积分得到结构的动力响应。(2)时域分析法。直接运用风洞试验的风压时程或计算机模拟的风压时程作用于屋面结构进行风振响应时程分析。然后通过动力计算得到结构的动力响应，统计结构动力响应从而算得结构的风振系数。采用时域分析法，可以考虑自然风的时间相关性和结构非线性影响，更精确地反映结构的耦合风振情况。(3)风洞试验法。由于自然风的复杂特性，在复杂结构的设计中，使用风洞试验方法为目前得到设计风荷载的一种高精度方法，但也存在一定的不确定性。(4)数值风洞技术。数值风洞技术9 武汉理工大学硕士学位论文是利用计算流体力学(CFD)方法在计算机上模拟结构周围风场的变化并求解结构表面的风荷载。这是近十几年发展起来的一种结构风工程研究方法，并逐渐形成了一门新兴的结构风工程分支——计算风工程学。2．2结构力静风荷载的描述本节主要描述平均风特性，脉动风特性将在下节脉动风模拟中给与描述。2．2．1风速描述风是空气流动而形成的，如果风在移动过程中受到结构物的阻碍，风的部分动能将转化为力的形式作用于结构之上，即所谓的风荷载。因此对于一个结构工程师或科研工作者来说，他所感兴趣的是地表面及以下几百米左右的近地风的运动及其对结构的作用。通过大量观察，人们发现：近地风通常可以分为平均风和脉动风两部分。任意高度处风速可表达为平均风速和脉动风速之和：：v(z，f)·y0)+V，0，f)(2-1)平均风速随高度变化，其规律可按实测结果表达为指数形式：：塑．向(2-2)‰、107式中：盹)为离地高度z处的平均风速；瓦为离地高度10米处的平均风速；口为地面粗糙度系数。平均风的主要特征还有：(1)平均风的平均时距；(2)风剖面；(3)最大风速的重现期。大量观测表明，平均风速随平均时距的增长而减小，时距与风速的关系为；兰。f墨1_(2．3)％Ir／式中：g—o、旷分别为时距写，T的平均风速：参数Ill约为0．cr7。—巾．10。 武汉理工大学硕士学位论文2．2．2作用在结构上的静力风荷载通常得到的数据是风速，要获得风对建筑物产生的压力，首先要求得风速与风压之间的关系。由于平均风对结构的作用是静力的，因此它可由风速与风压的关系求得：∞．二v229(2．4)式中，r为空气容重，在标准大气压情况下r=0．012kN／m3；为了便于工程结构抗风设计的应用，我国规范将结构上静力风压的计算公式规定如下：OJ-肫。肚。肛。纳式中：Do为建筑物所在地区的基本风压；雎为重现期调整系数；陆为高度z处的风压高度变化系数；胁为风压的结构体型系数。结构所受的风荷载具有以下性质：(1)风荷载的大小与结构物的体形有关；(2)风荷载除使结构产生顺风向的变形外，还能使其发生垂直于风向的振动，这主要是由于结构尾部周期性的不对称分布的涡流所引起的：(3)风荷载沿建筑物墙面的分布是不均匀的，通常迎风面是正压，背风面是负压，迎风面的风压又以中部最大，两侧逐渐减tb；(4)因荷载体形系数分布的不均匀性，故验算局部构件(如墙板，幕墙等)的强度时，应采用局部荷载体型系数校核。2．3脉动风荷载模拟2．3．1脉动风特性研究风荷载作用下塔式结构动力响应的方法，除了试验外，在理论上目前主要有两种方法，即频域法和时域法。频域法按随机振动理论，建立了输入的风荷载谱的特性与输出的结构相应之间的直接关系；时域法是基于将随机的风荷载模拟成为时间序列，然后直接求解运动微分方程。频域法比较方便，但它只能对结构进行线性化分析，在结构抗风分析中要做大量的模型简化工作。而时域法可以精确的进行非线性分析，使人更直接地ll 武汉理工大学硕士学位论文了解结构的特性。随着人们对风的随机性的认识以及对其所引起的结构振动的重视，结构风效应的分析方法逐渐由静力方法向动力方法过渡。要在时域范围内进行结构的风振分析，首要的问题是确定结构上的风荷载。由于仅仅依靠已有的纪录和观测作为荷载输入的方法受到许多条件的限制，往往不能满足实际的需求。人工模拟结构随机输入可以适应不同的需求，满足某些统计特性的任意性，目前也被广泛使用。自然风的模拟必须使模拟的风与自然风的随机特性如平均值，与高度相关的自功率谱和互功率谱以及相位角等尽可能接近。(1)脉动风压的功率谱密度函数和脉动风压系数【珊印删大量的脉动风实测记录的样本时程曲线统计分析表示，若将平均风部分去掉，脉动风速本身可以用零均值的高斯平稳随机过程来模拟，且具有明显的各态历经性。为了定量地描述脉动风，本文采用加拿大学者Davenport提出的顺风向脉动风速功率谱密度函数来推导脉动风荷载功率谱密度函数。Davenport根据世界上不同地点、不同高度测得的90多次强风记录的谱分析结果得出：顺风向脉动风速功率谱中，紊流尺度沿高度是不变的，其密度函数如下式所示：一r2so)-慨赢nOy3(2．5)+工。～Z。)，式中：K为反映地面粗糙度的系数，其取值参照相关文献论述，x和抖按下式计算工．T1200n；露．』生；(2-6)扣可川。i5瓦为离地10米高度处的平均风速。根据脉动风压和脉动风速的关系，可以导出用脉动风压方差表示的规格化的脉动风压自功率谱密度函数嘲：&()，，：，疗)一％2()，，z)SI@)．(2-7)热％-瓣笋为脉动风压施跏卜丽2刀x2为规格化风速功率谱；茹0)为平均风压，o，，z)为迎风面的坐标。 武汉理工大学硕士学位论文为了反映脉动风压在整个顺风向风压中所占比例沿高度的变化，定义了脉动风压系数这样一个参量。它可以用下式来计算或用试验来求得：∥，G)。璺(2-8)式中：芦为峰因子，其值取为2．5。实际上，上式是难以直接求出的p，(z)。我国荷载规范根据国内外的一些资料，建议脉动风压系数用下述公式计算：P／∞-0．5×351即“’(》4(2-9)式中：a为表征地地貌的粗糙度系数。(2)脉动风的空间相关性根据强风时的观察表明，一次阵风的作用在结构迎风面上的各点处的风速和风向并不是完全同步的，有时甚至是几乎无关的。为此，对于结构上的脉动风压必须研究其空间相关性．大量的现场实测和风洞实验的结果表明：无论是水平方向还是垂直方向，当某点承受最大风速时，离该点的距离越远，则同时承受该风向的概率就越小．Shiotam在试验基础上获得了只与两点间距离有关的脉动风压频率域的相关性系数的表达式嘲：嘶啪幽而小唧卜降+华+斜】(2珈，式中：岛为脉动风压相关系数，t=0=50，t=60；(五，咒，五)，(■，)，』，z，)分别为两点坐标。考虑到输电塔架的高度较高，而输电塔输电线跨度较大，结构物前后风压相关性比较复杂，且大跨越输电塔线体系的高度和宽度远比深度大，因此从安全角度出发，一般认为结构前后的脉动风压是完全相关的。(3)顺风向风荷载的自功率与互功率谱密度函数通常将连续脉动风荷载离散为作用在每一质点上的水平脉动风荷载，其值近似取为该质点处的脉动风压与相应迎风面积的乘积。由于脉动风压为高斯平稳随机过程，具有空间相关性的特点，故对结构必须建立起它的自功率与互功率谱密度函数。设结构的脉动风向量为P，根据脉动风压与脉动风荷载的关系，可以得到脉动风荷载(第i节点层)的自功率谱密度函数为： 武汉理工大学硕士学位论文J兰to)-平so)(2-11)1一F。％瓴M式中：口0为在第f节点层高度互处脉动风压的标准差；4为作用在第i节点层上的脉动风荷载的作用面积。由脉动风压系数的定义式和平均风压的表达式可以得到脉动风标准差a0的计算公式，将其代入(2-11)式得：霉．型坐鱼幽4(2-12)Ⅳ’式中：％为结构所在地区的基本风压，一为重现期调整系数，取以-1．2(100年)；以为风载体型系数，根据‘高耸结构设计规范》取。按照互功率谱密度函数与自功率谱密度函数的关系，并考虑高度、体型等因素对风荷载的影响，可得作用在不同高度处的脉动风荷载互功率谱密度函数矩阵：【昂@)卜[品】·S，O)(2．13)式中：【品】为脉动风荷载功率谱密度函数的系数矩阵。其中第f行第，列元素为：‰-岛粥一(2-14)2．3．4顾风向多维脉动风荷载的随机模拟由于风荷载可分解为平均风和脉动风，对于脉动风部分，借助经验公式给出的各种功率谱函数，可以从频域和时域两方面来分析。基于线性迭加的频域分析方法概念清晰、简便，因此在工程中应用广泛，但不能给出反应的相关函数、瞬态反应，不能分析非线性结构，且对于大跨结构，由于其频率密集，因此在计算中应取多少阶模态，怎样补偿模态截断的能量损失，仍是一个问题。而时域分析法与之相比较，其优点表现为：时域法能进行较精确的非线性分析；响应量值如位移、力或加速度的最大值可以直接求出；在缺乏实测或试验资料的情况下，各种简化计算方法可以与精确的时域分析方法进行比较验证：通过时域的信息可以获得幅值域及频域的信息。因此，研究时域模型一直是随机过程模拟的重要内容，时域模拟就是要通过已知的频域信息重现时程样本，主要的时域模拟方法有线性滤波法、三角级数法、逆Fourier变换法模拟。本文采用三角级数法进行模拟。14 武汉理工大学硕士学位论文结构上的阵风脉动风荷载通常看作是各态历经的平稳随机过程，脉动风荷载向量可表示为互相关的、零均值的高斯平稳随机过程。多维平稳随机过程的数学模拟可采用三角级数模型描述，即由具有随机振幅和随机相位的谐波振动的线性叠加而成：《(f)-套薹[％o)咖kr一％他))+b妒Ck)sin{叫一％o))](2-15)其中：．ate(七)一√2△∞1日≯(q)I毛。％(七)-√2△∞1月；(n‰)I％乞和仉是互相独立的，且服从均值为零，标准差为1的高斯分布的随机数·％(七)是相位角，由下式给出：缈雠．1雠Re[H划,Cwi)]}式中：h和Rc分别表示虚部和实部；Ato-(‘o,一魄)／Ⅳ，其中q和q分别为频率的起点和终点，N为频率范围等分数；∞，一‘％+(，一0．5)Ato；王k(q)脉动风荷载功率谱密度矩阵&(叻的按照Cholesky分解即：[品(∞)]．p扣)]p‘∞)】(2·16)其中：日(曲为下三角矩阵，H’(叻为日(叫的共轭转置矩阵·品(∞是谱密度函数：考虑n维脉动风荷载号(f)Otl，2’⋯，弹)，其谱密度函数矩阵为：s(【o)-墨。(∞)＆(∞)⋯&(∞)s：。(∞)＆(∞)⋯5k(∞)瓯。(∞)s：：(∞)⋯毛(∞)(2．17) 武汉理工大学硕士学位论文2．4风荷载模拟实例及算例分析2A．1输电塔结构上的脉动风荷载模拟利用上述方法，本文对某输电塔线体系进行脉动风荷载模拟，输入的有关初始参数如下：(1)基本分压为0．6KN／m2；地貌类别为B类，口-0．16；梯度风高度为350．0．(2)时间和频率参数。模拟总时长为180s，时间步长为0．02秒；首先确定给出的功率谱密度函数最@)的上下限值吼和q，并将其N等分：设Am-帆--O)，)／Ⅳ，则∞似)-q+@-0．5)Aa,k=l，2，3，⋯，N取N=3600，∞。=3．14，劬=1e-4：(3)模型参数。塔身风载按照不同高度分为15段。塔模型如图所示：塔腿部分按照节点分为11段，塔头部分的分为4段。输电塔主要杆件为钢管，采用法兰联接。将螺栓部分用梁单元等效的模型图如图2-1所示。风荷载模拟时其分段示意图如图2-1和风荷载模拟时的节点高度如表2．1。图2-1输电塔塔架风荷载模拟节点示意图 武汉理工大学硕士学位论文表2．1风荷载模拟所用部分节点高度输电塔塔段节点号节点高度(m)l13．OO219．50325．50431．50536．70塔腿641．50750．50858．50965．501072．001178．001290．501384．25塔头1498．OO15105．80导线由导线的静力平衡位置以下各图为模拟所得得到的不同节点高度处的风荷载的时程曲线：图2．2节点1高度的风荷载时程17 武汉理工大学硕士学位论文图2-3节点7高度的风荷载时程图2_4节点11高度的风荷载时程图2-5节点15高度的风荷载时程2．4．2脉动风荷载模拟验证脉动风是一个随机过程，它的取值大小、方向随时间不断变化，而且是不能预知的，我们不可能用时间函数来完全地描述它，但是可以用概率论和随机振动理论来分析。 武汉理工大学硕士学位论文根据概率论的方法，只要掌握少数几个统计数字特征，如风速平均值、离散度、根方差等，就可以描述整个随机过程，而这些统计数字特征又可用相关函数或功率谱密度来表示，前者在时间域，后者在频率域，因而只要求得响应的相关函数或功率谱密度，统计数字特征即可求得，从而对响应做出概率上的估计．所以验证一个模拟的风谱正确与否，就要观察它的相关函数和功率谱密度是否与实测的风谱相符。前面己经讲过了脉动风荷载的功率谱密度函数，功率谱是在频域描述平稳随机信号统计规律的重要特征参量，相应的自相关函数可以用来描述随机信号的功率在时间域上的分布情况，这二者间存在着一定的关系，功率谱密度乱p)是自相关函数凡(奶的傅立叶变换，而自相关函数凡(曲是功率谱密度&p)的傅立叶逆变换S0)一r也(o,)e"doJ(2-19)屯(∞。j托￡(r弘’pqf(2-20)图15拟风功率谱与Davenport功率谱的比较，由图可见，模拟风速的功率谱在走势和极值等方面与Davenport功率谱比较一致，因此可以信赖此种模拟方法的有效性。峰值部位的误差分析认为，是由于在进行简谐波叠加时，低频区的数值较小，致使其相对舍入误差很大造成的。考虑到脉动风力为高斯平稳随机过程，具有各态历经性，因此可以用脉动风力样本本身的统计平均来代替样本之间的统计平均。这样，我们首先对模拟的风荷载进行了统计平均分析，分别求得了它们的均值。并依此均值对原样本进行了调整，使调整后脉动风力样本的均值保持为零。其次，我们依据调整后的样本求取了它们各自的方差。结果表明，他们基本上与理论值一致。即：口2【E(f)】一(SE(吐，)dm(2-21)最后，我们还求取了脉动风力样本的自(互)功率谱密度函数，并与模拟时假设的Davenport谱密度函数进行了比较，取得了基本一致的结论，详见图2-6所示。由图中可见，标准高度脉动风速样本的自(互)功率谱密度函数与理论上的Davenport谱密度函数基本一致。19 武汉理工大学硕士学位论文(a)节点1处脉动风自功率谱密度H■—曲(c)节点10处脉动风自功率谱密度|；l|l∞节点6处脉动风自功率谱密度H■H惜(d)节点11处脉动风自功率谱密度|il(e)节点14处脉动风自功率谱密度∞节点15处脉动风自功率谱密度|t善lR■∞Rm(g)节点1，11处脉动风互功率谱密度函数(h)节点11，15处脉动风互功率谱密度函数图2．6模拟脉动风荷载功率谱与达文波特谱的比较20々l，-l■l 武汉理工大学硕士学位论文2．4．3输电塔结构风振响应分析由于本文是为输电塔法兰联接螺栓松动损伤诊断作的准备工作，而通常联结螺栓松动损伤对结构的整体的结构特性不会产生大的影响，因此直接采用等效的葫芦串模型不能反映输电塔结构联结螺栓松动损伤。所以，本文直接采用输电塔结构的有限元模型，其中螺栓部分采用等效方法建立模型。整个模型的建立思路将在下一章叙述。以下是独立塔在模拟脉动风荷载作用下部分节点的动力响应。(以下均为风荷载方向的响应)自Ⅷ图2-7塔顶位移响应时程■Ⅲ图2-8塔腿顶部位移响应时程h哪日图2-9塔腿中部位移响应时程 武汉理工大学硕士学位论文■-Ⅲ图2．10塔顶速度响应时程图2-11塔腿顶部速度响应时程图2-12塔腿中部速度响应时程图2-13塔顶加速度响应时程 武汉理工大学硕士学位论文忡图2．14塔腿顶部加速度响应时程图2．15塔腿中部加速度响应时程本文对输电塔独立塔进行风振响应分析，分析脉动风模拟的合理性，图15是对以上三个节点的频谱分析。R(a)塔腿中部位移响应频谱图O)塔腿中部位移响应频谱图(c)塔腿中部位移响应频谱图l(d)塔腿顶部位移响应频谱图(c)塔腿顶部速度响应频谱图(D塔腿顶部加速度响应频谱 武汉理工大学硕士学位论文国蟮项位移响应频谱图伪)塔顶速度响应频谱图(n塔顶加速度响应频谱图图2-16输电塔响应频谱分析(1)从响应频谱图中可以看出，各功率谱峰值对应的频率是一致的。大概是1．6Hz左右，这与用ANSYS建立模型的结构在该方向的第一阶频率一致。它反应的是结构在风作用方向的频率，属于自振特性的表现。(2)从位移反应的频谱分析图上从性质上可以看出：位移功率谱曲线左边有多个比较高的曲线峰可以看出，脉动风包括低频紊流部分且低频脉动风围绕着目标谱有抖动现象。右边在一阶频率附近有峰值而且紧靠近峰值处还有一些小峰，说明高频紊流部分包括结构频率成分且脉动风围绕着目标谱有抖动现象。(3)根据文献【删位移、速度和加速度的功率谱满足如下关系：SAto)I&(曲--to毪(叻(2．18)最(∞一＆(∞)-∥疋@)式中：sAto)为位移的谱密度，＆(们、邑(回为速度的谱密度j&(∞、S(to)为加速度的谱密度。∞为圆频率。to=2石x1．6=10．048。可见位移、速度和加速度谱密度也满足(2．18)关系由于速度和加速度频谱分析，在低频处的功率谱粉分别为位移功率谱的∞2和∥，所以，低频处的峰值就比较小，很接近横轴，所以看不出脉动风低频紊流的部分。(4)也可以看出，本塔的刚度是比较大的。 武汉理工大学硕士学位论文2．5本章小结本章首先介绍了风荷载的基本特征和规范中有关风荷载的计算，然后在此基础上采用通用的Davenport脉动风功率谱，应用简谐波叠加法模拟了脉动风荷载，并得到了相应的风荷载时程曲线。并求出了该风谱的功率谱密度，通过与Davenport脉动风功率谱比较，验证了所述方法的有效性。比较结果说明了谐波叠加法是一中有效进行风荷载模拟的方法。最后，以输电塔结构为例，分析其动力反应，获得了有限元结构各节点响应，从结果的响应和谱分析可以看出，此种时程分析结果能够反映结构的基本动力特性。也进一步验证了模拟的脉动风荷载的合理性。所以谐波叠加法模拟出的风荷载时程能够用于结构的风振响应分析． 武汉理工大学硕士学位论文第三章螺栓松动的输电塔线体系等效模型建立3．1引言近些年来，国家重点投资建设的电力基础设施取得了巨大的发展，输电线路的电压等级越来越高，己经形成了500kV级的主干电网。输电塔架在送变电行业称为输电铁塔，本文还是按照结构工程术语称为输电塔架。输电塔架是高压送电线路的最常用的支撑物，国内外大多采用热轧等肢角钢制造，螺栓组装的空间杆系结构。根据结构型式和受力特点，输电塔架可分为自立式和拉线式两种。本文将集中研究自立式输电塔架。塔的形式及各部分名称如图3．1：基一担图3-1自立式输电塔架及各部件名称【摘自文献151本文研究对象为钢管塔。在这类结构中，节点多用螺栓或焊缝联结．由于螺栓和焊缝在长期的风力引起的结构振动中会产生松动或裂缝，如未及时发现，则会造成节点损伤的扩展，在随后的强风或地震作用下会引起结构的破坏甚至倒塌。输电塔杆件众多，为了研究输电塔的动力响应及振动控制，人们往往采用等效葫芦串质量模型进行简化分析。而结构螺栓松动损伤往往对结构的振动特性不会产生大的影响，因而，进行结构的简化分析，往往无法获得结构的损伤位置。因而有必要建立输电铁塔的有限元模型。 武汉理工大学硕士学位论文输电铁塔在钢管法兰连接中，螺栓松动位置可能会对结构局部造成复杂影响，因此对结构螺栓松动损伤状态等效分析，并对结构响应进行相关分析，是进行输电铁塔在钢管法兰联接螺栓松动损伤的一个重要前提。同时，输电导线的存在，也会对输电塔振动也会产生一定的影响。本文采用MATLAB语言编程，采用空间梁单元建立输电铁塔模型，采用空间直线单元模拟导线和绝缘子，从而建立输电铁塔体系模型。3．2输电塔有限元模型的所选单元的介绍对于大型结构而言，借助结构有限元方法和其他方法相结合，才能实现对结构的分析与诊断。本文重点研究的输电铁塔结构建立模型时主要采用空间梁单元以及在建立导线模型时采用的预拉力空间直线单元。3．2．1空间梁单元空间梁单元的单元示意图如图3．2所示，其有限元分析采用空间固结单元．在局部坐标系中，工轴沿杆轴线，y,Z轴分别沿横截面的两个主轴方向，3个轴符合右手定则。图3—2桨单兀不熏图单元两端各有6个位移和力分量，整个单元共有12个位移和力分量。在局部坐标下单元结点位移与结点力可分别表示为：p)‘．卜毒毒巳4五气6—7t一9％10砖茜11(3．1)L．J{F}‘一阿K彤帆M—M。Uj巧彤％％坞】1(3-2)单元在局部坐标下的刚度矩阵为： 茎堡墨三查兰堕主堂垒堡奎M一剧f12日．0f’12瓯0PO0O"-6【日y0f26口0f20—翻jO一12E／,亟j4E／,0fO对应的单元坐标转换矩阵为：陋】-对4Fd，剧0f兰坠!墼j20P0O0里兰望l0J2A对0A称OAOA其中，【o】是3×3阶零矩阵，而旋转矩阵为：卜0一t，队】一100，k，【乞ro，乞，称12E／J,P亟0f堡Z20f4日．0f(3．3)(3-4)(3．5)上式中，第一行代表杆轴z在x'y'z’坐标系中的方向余弦，其余可依此类推。整体坐标系下单元刚度矩阵则由下式可得：眇’卜陋r阵】瞄】(3．6)而空间梁单元的单元固端力则为：pJ—p：鳞噬M：M；M：N：噶噶M：M：M；1c(3-7)整体坐标下单元结点荷载为：{R’)‘-一陋】r证)‘(3．8)结构的结点荷载阵列为：。堕P。堡，。。亟，。。孚鱼P。P。。墼r 武汉理工大学硕士学位论文{R)一一∑忙，)‘+豫)(3．9)在得到整体坐标系下的单元刚度矩阵后，可以根据“对号入座”的原则集成结构的整体刚度矩阵。在结构的有限元分析中，其单元质量矩阵可取用一致质量矩阵或集中质量矩阵。三维梁单元节点处有平动自由度，也有转动自由度。在同一节点，每个平动自由度有相同的节点质量对应。而因为假定质量在点上没有转动惯量，所以与任何一转动自由度相关联的质量为0。(当然，如果与一个转动自由度对应的是一个具有有限转动惯量的刚体质量，那么该自由度对角线上的质量系数等于质量的转动惯量)。所以一般来说，集中质量矩阵是对角矩阵，其中包括与转动自由度相对应的0对角元素。空间梁单元的一致集中质量矩阵，具有和刚度矩阵具有相似的性质，其推导也可以用与分析单元刚度类似的方法。空间梁单元的一致质量矩阵如下。J!I，一蒜3．2．2空间直线单元(3-10)假设条件：材料处于弹性工作状态，即符合虎克定律；单元之间为铰结，每个节点有三个自由度；荷载作用于节点；结构处于小应变状态；只受拉不受压．(1)空间直线单元直线单元的空问示意如图3．3，单元端点的坐标分别为l看，毫，《l和(彳，Z，《)，对应的位移为(蚝1，“：，砧：)和(“；，梯：2，蚝2)。单元的详细推导可以参见文献【4“，其增量平衡方程可阱写成下式：衍心。盟彳oo．1一跖。牡O12|虽oo枷oo，心。抛ooo础孵ooo舰。础。孕ooo孕oo|虽。拢ooo舛omo|虽。班ooo舛omo靳ooo扯。舛ooo眦蜥ooo赳。舛ooo姐∞O0O0Om0O 武汉理工大学硕士学位论文图3-3空间直线单元图[【‰】+【t卜【k]】扣’{A“)．{，)“枷一{厶}∽(3-11)式中："心】。譬瞄(／,+a1)2“+q)(f2+口：)陋卜I(乞+％)(f1+q)(f2+口2)2(‘+％)(‘+q)(f3+％)(f2+口：)“+口1)(f34-a3)(f2+d：)(f3+口3)(f3+口3)2(3．12)M口警∞吲删】．协∽{厶}‘“·醐【一“+q)一(12+口：)一亿+口3)“+q)(f2+吒)(f3+％)】7热t．掣，q．掣，i-L2,3,工为单元初始长度；厅为单元Q(1)状态下的轴向应力；{厂l为节点外荷载向量。{厶}为节点内力向量；【ko]为线刚度矩阵，仅取决于导线的初始Q(o)状态的位形；降。1为位移非线性刚度矩阵，取决于Q∽状态的位移值；『k1为应力非线性刚度矩阵，仅取决于QpJ状态的应力值，反映了结构的应力水平对结构刚度的贡献，索的侧向刚度主要由它提供；‰】+【七。l为初位移矩阵，反映了单元的空间位置对刚度的贡献；冲。l为初应力矩阵，反映了单元应力对刚度的贡献。该单元刚度矩阵是在整体坐标下建立的，因此，在组装总刚度时无需对各单元实施方向转换。(2)单元应用 武汉理工大学硕士学位论文对有预拉应力的绝缘子，每根杆作一个单元处理，并计算它的初始应力刚度矩阵【k】。对于线和纤绳，应根据计算精度的要求，将整根索划分为若干单元。通常可以规定划分后的单元矢跨比小于1％，以保证足够精度．此外，采用直线元的有限元法计算索时尚须先进行索的找形，以确定索各节点的索的空间位置；索上承受的分布荷载，亦须将之转换为节点荷载。承受竖向均布荷载的索的空间位形为一簇悬链线【明，采用图3．4的坐标系，其表达式为：扣争妇一(孕一口)】@㈣D图3_4荷载沿导线长均布时单根导线的坐标系『摘自文献47]热扣盯sinh瞄卜户一西ql；日为初始水平张力o4为作用在导线上的均布力，这里即为重力；当索端点i，，坐标及均布力q确定时，水平张力日和跨中任一点坐标(例如跨中挠度)，二者任知其一，即可确定索的初始形状。索段上的均布荷载可先求其合力，然后平均分布到单元的两节点上。求合力时，假定单元为一直线。3．3输电塔联接螺栓松动等效模型建立电视塔、输电线塔等高耸塔架结构是一类应用广泛的结构型式。在这类结构中，节点是用螺栓联结的。由于螺栓在长期的风致振动中会产生松动，如不及时发现，会造成节点损伤的扩展，在强风作用下甚至会引起结构的倒塌，但由于高耸塔架结构常建在野外以及太高不便于攀登，因此及时进行结构节点损伤的诊断是十31 武汉理工大学硕士学位论文分必要的。显然，建立高耸塔架结构的有限元模型是塔架结构损伤诊断的基础：为了真实、准确的分析结构法兰联接节点螺栓松动损伤对整个输电塔线系统的影响。建立能反映螺栓松动损伤的法兰联接螺栓松动损伤的输电塔结构等效模型是必需的。3．3．1等效思路为了真实、准确的分析钢管输电塔结构法兰联接节点螺栓松动损伤对整个输电塔线系统的影响，本论文建立了能反映螺栓松动损伤的法兰联接节点的等效梁单元简化模型。在简化模型中螺栓松动损伤以结构法兰联接节点等效梁单元的刚度降低作为损伤标识量。其等效方法的思路如下：首先，建立有螺栓松动的法兰联接节点的实体细化有限元模型，如图3．5所示，建立方法详见文献12,631；然后，建立有螺栓松动的法兰联接节点的简化梁单元有限元模型，如图3．6所示；最后，采取优化的方法建立两模型间的等效关系。在等效中，依据有螺栓松动的法兰联接节点的实体细化有限元模型和有螺栓松动的法兰联接节点的简化梁单元有限元模型之间整体刚度矩阵之间的误差为最小作为等效原则。在等效中，加劲肋及法兰盘处构件均等效为一梁单元。其中，法兰盘的等效按前叙优化等效的方法进行。加劲肋以截面刚度的变化来等效，具体等效方法为将带肋空心圆筒刚度采用空心圆筒的刚度等效。计算出其相对于空心圆筒的刚度，乘以相应倍数即可．同时，为了反映精细有限元模型中螺栓松动的影响，以简化模型中法兰盘处等效梁单元的刚度折减来表征。疆兰船剜韵睡图3-5实体细化有限元模型图3-6等效有限元模型在实际的等效中，刚度矩阵中拉压和弯曲刚度项对结构的影响较大．同时由于接触非线性及螺栓非对称损伤带来的非线性影响，使得法兰连接构件的刚度复杂，使得在简化模型的等效中，难以达到对构件拉压和弯曲刚度的一致等效。为 武汉理工大学硕士学位论文了真实反应法兰螺栓松动对结构构件的影响，本论文对拉压及弯曲刚度分别进行优化等效。就螺栓松动损伤的物理意义而言，其优化变量宜分别选为等效截面面积4及截面转动惯量f；从梁单元刚度矩阵中各项可以看出，弹性模量E与截面面积A及截面转动惯量，为同比例关系，因此，为了模型建立的方便，在实际的等效中，均选取弹性模量层为等效优化变量，其目标函数分别取为：r(E乙。)一僻。一巧。(E厶炉(3·16)r(‰2)-(矗0一j；&CE0：))2(3-17)式中，K。——鲴化有限元模型的刚度矩阵中弯曲刚度分项；K。——简化有限元模型的冈Ⅱ度矩阵弯曲刚度分项；K。——细化有限元模型的刚度矩阵中拉压刚度分项；K。——简化有限元模型的刚度矩阵拉压刚度分项；压0，——对应简化模型作为弯曲刚度等效中的优化参数：E乙：——对应简化模型作为轴向刚度等效中的优化参数；显然，优化的过程就是选取合适的等效梁单元的弹性模量￡乙，而使目标函数r(E。)趋于最小。分别通过对轴向刚度和弯曲刚度的优化等效，便可以得到简化模型对应的刚度矩阵，此刚度矩阵较真实的反映了实际法兰联结结构的刚度特性，因此该等效方法是合理有效的。3．3．2损伤折减系数经分析，由于结构自重的影响，在风荷载的作用下，结构法兰联接处始终处于受压状态，因此可以认为结构轴向刚度保持恒定。同样，由于结构重力只产生轴向受力，而结构构件的弯曲变形仅仅由平均风荷载和脉动风荷载共同作用产生，而结构在脉动风作用下的响应一般来说远小于平均风产生的响应，故可以认为，输电塔在风荷载作用下，其弯曲刚度是保持不变的，其刚度由平均风荷载的风向及法兰螺栓的分布状态来定。由上所叙，风荷载作用下，输电塔结构法兰联接处轴向刚度将保持恒定，且处于受压状态，经分析，螺栓松动损伤对受压刚度的影响很小，可以忽略，因此本文仅仅分析螺栓松动损伤对法兰联接构件抗弯刚度的折减。为了反映螺栓松动损伤对法兰联接构件的影响，现取有节点螺栓松动损伤等效梁单元的弹性模量与完好结构对应的弹性模量的比值作为刚度折减系数，即：F—F叼叠．=生坚丛出—二=生璺丛×100％(3．18)。kI‘‘⋯式中，E。。。为完好螺栓联结节点等效杆单元的弹性模量，点k。为有节点螺栓松动损伤的等效杆单元的弹性模量，那么，7的大小就能反映法兰联结节点螺栓松 武汉理工大学硕士学位论文动的程度。表3．1表示实际损伤与，，之间的关系。叼的彳哆)中，4表示损伤螺栓数，口表示松动的程度。螺栓松动的具体位置如图3．7。表3．1抗弯刚度折减系数塑鱼!(!鲤塑塑!塑塑!(!塑塑丛!鲤塑，，3％5％25％35％辱沁舻队厩队形§、9虏／1r＼憨哩厂硷夕心夕埯涉a松动一个螺栓b、松动两个螺栓c、松动三个螺栓d、松动四个螺栓图3．7螺栓松动示意图说明：螺栓的非对称损伤下，其受力状态复杂。当螺栓出现不对称松动损伤时(本文选取图3．7中四种状态)，其抗弯刚度在两个方向也不相同。当法兰盎螺栓松动的一端受压时，经分析，此时螺栓联结的弯曲刚度几乎不变；当法兰盎螺栓松动的一端受拉时，螺栓联结的弯曲刚度发生相应的变化。相对完好状态下的刚度折减系数如表3．1所示。从图中可以看出，随着螺栓松动损伤的增加，其对应抗弯刚度折减系数增加．3．4节点螺栓松动的输电塔有限元模型的建立建立模型主要是获取结构的质量矩阵，刚度矩阵。其步骤如下：(1)确定结构所选单元，并将结构划分为若干单元。本文建立塔架模型所选单元为空间梁单元，导线和绝缘子部分采用的是空闻直线单元。在前文中对这两种单元有叙述。(2)为节点和节点位移编号。本文采用的是后处理法获取结构刚度的刚度矩阵。那么各空间梁单元节点如前所述，每个节点的自由度为6。节点i对应的自由度为6×O一1)+1—6x(i一1)+6。空间直线单元每个节点对应的自由度是3，那么也可以类似于梁单元，并在梁单元基础上进行节点和自由度编号。最后通过绝缘子联接，即其刚度矩阵与塔和线进行耦合。(3)计算单元刚度矩阵肚r，并向结构整体刚度矩阵集合。对于梁单元和空间直线单元，其组合按照(2)中的编号进行。而对于等效 武汉理工大学硕士学位论文梁单元，单元所在的位置和编号均不变，只是刚度矩阵中加入等效好后的贡献。(4)选择单元质量矩阵是选择一致质量矩阵还是选择集中质量矩阵进行结构计算。并计算单元质量矩阵【埘r，并向结构整体质量矩阵集合。本文采用一致质量矩阵。对于等效梁单元，本文认为其质量矩阵不发生变化。(5)进行结构模态分析，获取高耸结构前两阶频率。(6)根据一定的判定条件，由等效的螺栓部分的单元刚度矩阵在不同情况下的刚度矩阵，替代结构完好的刚度矩阵，从而考虑螺栓松动带来的影响。3．5本章小结本节介绍了空间梁单元及预拉力空间直线单元。建立输电塔模型采用的是梁单元，输电线及绝缘子的建模采用空间直线单元。为了进行输电铁塔法兰联接节点螺栓松动的损伤诊断，直接采用ANSYS模型建立螺栓部分的精细有限元模型来进行结构的动力分析，需要耗费大量机时，这显然是不现实，因此有必要建立输电塔的等效模型。本文简要叙述了课题进行过程中采用的等效方法，建立法兰联接节点螺栓完好和几种松动工况下的刚度等效模型。并为下一章的输电铁塔动力分析做准备。 武汉理工大学硕士学位论文4．1l引言第四章输电塔结构损伤前后风致响应分析对于高耸塔架结构等柔性结构体，风荷载是非常重要的荷载因素，有时甚至是其控制荷载。尽管风的作用没有地震那么强烈，但由于风的作用极其频繁，实际上风对结构物产生的灾害也比地震灾害大的多。对于输电塔结构，其联接螺栓松动以及最后的损伤扩展也通常由风荷载长期作用引起。因此，进行输电塔结构螺栓松动损伤诊断，探索基于环境激励的损伤检测方法，有着重要意义。由于结构环境振动的振幅是小的，环境振动试验能描述结构振动的线性行为。它们被用来描述损伤结构的线性行为和振动响应的组成部分，也被研究者用来发展时域和频域模态分析理论模型和算法，这些理论模型和算法能被用在工程结构的健康监测和振动控制方面。环境振动的振动源是风、微小的颤震、微小的地震和各种随机与周期载荷，相对于人工激振，环境振动需要简单的试验装备和少量的试验仪器，环境振动能够进行结构的全尺度的测量．对于在役的工程结构，人工激振试验要求较大的激励力使结构产生有用的响应。外力通常施加在建筑结构的顶部，将突出振动的激励模态，在结构上部有大的振幅。另外，相对环境振动，人工激振的振动传播途径是不同的。上述因素确定了环境振动方法比人工激振方法更适合于用来识别工程结构损伤诊断方法。基于此，本文分析了输电塔线体系损伤前后的风致响应，为后续的基于环境激励的输电塔螺栓松动损伤诊断作了前期的准备工作。4．2输电塔线体系的静力方程的建立及求解4．2．1体系静力方程的建立依据前文的M棚AB建立模型的思路，可以建立线性体系的静力方程。将塔、线、绝缘子的刚度矩阵进行组装，形成体系的总体刚度矩阵。ⅡK】+[≮】+【K旷’{△u)一{F)‘～一亿)‘^’(4-1) 武汉理工大学硕士学位论文式中各符号意义类同于式(3．11)，用大写表示其为结构总体的物理量。4．2．2体系静力方程的求解可以采用Newton-Raphson法迭代求解式降1)，求解步骤如下：①令缈)忡’一0；②求解式(4-1)得{△【，y1’；③计算Ⅳ)(_)，{【，)《吣-{u)“枷+{△u)(町；④根据{【，∥修正刚度方程中的【KJ，【兄】，{兄∥项；⑤求解式(4-1)得{△u}(删；⑥判别：如|l△硎‘容许误差，则解收敛；缈}-ⅣP+1’·Ⅳ)‘吣+{△u)(州；⑦若否，则n-n+l，回到④，如此循环直至解收敛。图4．1体系静力方程求解框图 武汉理工大学硕士学位论文4．3动力平衡方程的求解输电塔线体系的动力分析，应包括体系模态分析与体系时程分析。而应采用直接积分法。4．3．1动力方程的建立体系的受迫振动方程为【材】傅(f)}+【c】{矗(t)I+Igl协(f)}·tQO))(4-2)式中：IC】为阻尼矩阵；{Q(f))为t时刻下的外荷载向量。对于非线性体系，刚度矩阵It]是随结构的不断变形而变化的。为了便于用迭代的数值方法求解式(4-2)，可将其改写为如下的增量形式：阻】{出(f)}+fc】{缸(f))+【墨】{血(f)卜{△QO)}+{AP睁)}(4-3)这里用体系的切线冈Ⅱ度矩阵【岛】代替了割线刚度矩阵【列。由此产生的不平衡力{AP(f)}，可以通过下式求出：{6PO))一{QO)’一【^f】何(f))一【c】仁O)卜t昂}(4-4)式中：{最)为体系对应位移下的内力增量。4．3．2动力方程的求解对式(4．4)，可以采用增量形式的Newn础．B法直接积分运动方程。Newmark-B法在出区域内，假设有下式成立：{U‘t*-)_㈨+【(1-口)㈨+口似-)】△f(4-5){圾+-】-{矾)+{珥}6I+[(o．5一口){玩)+，{西+m)】△f2(4-6)其中口和一是按积分精度和稳定性要求而决定的参数，当口土0．5，卢苫0．25(0．5+口)2时，解是无条件稳定的。改写(4-5)，(4-6)为增量形式，并把它们用{哪与t幽}的显式表示有：{叫。寿m卜壶他)一方似)(4-7)㈦一盖卧芳㈨一b一·卜}&c㈣ 武汉理工大学硕士学位论文将式(4-7)，(4-8)代入到式(413)，经简化，得到适用于Newmatt．B法求解的增量形式的受迫振动方程：|[晒】+古阻】+盖[c】I{血)_{△Q}+冲M陆”专叫+【c】融惨-1眇】一具体算法可以分为两步，(1)初始计算：①形成初始刚度矩阵[Kr。】，质量矩阵【^，】和阻尼矩阵【c】；②给定协o}，牺o)和蛳)；③选择时间步长出，参数口苫05，多20．25(05+a)2，计算积分常数co=tlDAt2，cl·a／DAt，c3-1／2D，“-alfl，cs-@12f1-1)At；④形成有效刚度矩阵【盔卜【岛o】+coLM】+c1【c1．(2)接下来在每一个时间步长中：①计算时间t+At的荷载增量【AQ】-fAQ】+【M】(c2∞，)+c，能})+【c】也埘。)+c，说))；②求解时i司t+At的位移增量【霞】{△田一[AO】；③计算时间t+At的加速度增量{△田-co{△“卜c2伍，卜c，能)和速度增量{△☆}-c,{Au}-c．任，}一c，氍)厶f；④计算时间t+△f的加速度饩+。)一能)+{△田和速度能。)-牺，)+{埘}；⑤计算节点不平衡力{△P)一{Q．。}一【M】能．。)-【c】埘。'一{只)；⑥重新生成结构切线刚度矩阵并生成有效刚度矩阵【甸一【grl+co[M]+c-【c】；⑦求解不平衡力产生的位移增量【甸△{A∥}-【AP】；⑧将不平衡力产生的位移增量加入到该步的位移增量中去，{血)一{血}+△(△Il‘)；⑨检验结果是否收敛，即是否满足盹缸‘州；容许误差，若收敛则本步循环结束，转为求解下一个时间步长；⑩若不收敛，则转到步骤⑤循环直到结果收敛。从上述算法步骤可以看出，每一个时刻的每个不平衡迭代步都需要重新生成结构的切线刚度矩阵，并重新求解线性方程组，这样的计算量是非常大的。为降低计算消耗，对体系微幅振动问题，可以采用静力平衡处的刚度矩阵，并保持不变【鲐捌。(3)阻尼矩阵的形成结构的阻尼矩阵通常可以假定为与结构的质量分布成比例，即【q=^【M】；也可以假定为与结构的刚度分布成比例，即【q=凡【刚。对于前者，阻尼比与频率成反比，即低频阻尼很大，而高频阻尼很小：对后者，则恰好相反。结构数值分析时，采用更多的是瑞利(Rayleigh)阻尼，即将二者结合起来，取【q=甜M】+硝吲。其阻尼比可以写作，每=^a／孙r卜如∞以。这样，只要获得2组晦，∞O 武汉理工大学硕士学位论文数据，就可以计算出比例常数^，九。通常是根据实测的结果，取两组基频值来反算的。4．4输电塔各种工况下的风振响应分析4．4．1结构参数及简图介绍该输电铁塔独立塔结构与第二章中的输电铁塔结构相同，其主要的参数如下表：表4．1输电塔结构纵向杆结构参数主RtAIEEIEAP堑f堂(堂!璺垒鱼垒鱼尘鱼!：尘鱼：里垒业≥10．150．043．06e．22．516e-42．06e115．1＆汀6．30e97850⋯性嚣誉豁篙擎初瓣张雩静参数1700．965．39665122．37071．942●■■■■■■■■■■■■●■■■■■■■■■■■■■■■■■■●■●■■■■■■■■■●■■■■■■■●■■■■■■■■■■■●■■■■■■■●■■■■■■■■■■一1■■■■■■■■■●■●■■■■●■●■■■■■■■■■■■■■■■■●■■一其中：主杆1表示输电铁塔的塔腿第一、二、三层，主杆1表示输电铁塔的塔腿第四、五、六、七层。由于输电塔杆件众多，这里不详叙述。本文采用的输电线跨度为300m．输电导线的参数如表2所示；本文采用的是一塔两线模型，其示意图4．3所示。图4-3输电塔线体系模型示意图 武汉理工大学硕士学位论文由于塔腿是主要的受力构件，塔腿螺栓松动对结构的影响也必然最大，所以本文的分析主要是针对是塔腿部分的法兰联接螺栓。塔腿联接螺栓的位置如图4所示。表4．3对应的是螺栓所在的高度区间。裙为烈2l∞lTI‘13109，气刊图4．4螺栓所在位置示意表4．3螺栓所在位置高度区间螺栓编号对应的高度区1～413．0～19．55～819．5～25．59～1231．5～36．713～1641．5～50．517～2050．5～58．521～2458．5～65．525～2865．5～72．04．4．2风振响应计算时导线对输电塔的影响分析输电塔线耦合系统是复杂的，特别是输电线几何非线性对体系响应的影响需要做深入的分析。为了分析输电线的几何非线性对输电塔结构响应的影响，本文采用大型有限元分析软件ANSYS进行了分析。输电塔线系统的结构参数由表4．1及表4．2所定．在进行风致响应时，首先进行平均风荷载与结构自重共同作用下的输电塔线体系的静力分析，然后以静力分析的结果作为初始条件，并考虑脉动风荷载的作用，进行输电塔线结构的动力响应分析。在静力计算时，为了达到静力的平衡，ANSYS中大变形(几何非线性)的开关是打开的。在动力计算中若考虑风振响应的大变形，大变形开关打开；若不考虑大变形，则大变形开关关闭。通过以上设置，本文分别进行了考虑与不考虑输电线几何菲线性下的输电塔线体系在脉动风荷载作用下响应分析。其比较结果如图4．5、图4．6、图4．7所示。从图4．5、图4．6可以看出，考虑与不考虑输电线的几何非线性对输电塔塔41 武汉理工大学硕士学位论文身的位移等响应影响很小，完全可忽略。但是，从图4．7中可以看出，考虑与不考虑输电线的几何非线性对输电线自身的位移等响应影响较大．也就是说，采用输电塔线体系静力平衡时的刚度作为体系的刚度，对塔线体系的风振响应进行分析而获取塔身响应的方法是可行的。图4．5考虑与不考虑大变形时塔顶位移响应时程的比较图4．6考虑与不考虑大变形时塔身位移响应时程的比较图4．7考虑与不考虑大变形时塔身位移响应时程的比较 武汉理工大学硕士学位论文4．4．3各种状态下输电塔结构风振响应的分析基于第三章所建立的输电塔线体系模型，以及本章所叙述的动力反应求解的思路，对输电塔结构进行了无损和几种损伤工况下的风振响应分析，并得出了一些相关的结论。从静力分析的结果可以看出，在重力和平均风荷载的作用下，输电塔架在平均风的方向上的位移远大于由脉动风所产生的位移，基于此，输电塔在风荷载的作用下，螺栓松动总是处于一种状态，故对于螺栓松动部分，可以当作线性来考虑。本文对完好和损伤输电塔进行了风振反应分析，得出了一些结论。以下是对螺栓松动不同工况的一些分析。本文分别选取了一处损伤和两处损伤的工况，进行等效位置为完好与损伤状态的应变时程比较。下面的比较图中“(1)”“(2)”分别表示相互垂直的两个坐标轴方向的弯曲应变。4．4．3．1一处螺栓松动(1)编号28处螺栓松动州图4_9编号28处等效单元弯曲应变(2) 武汉理工大学硕士学位论文tls)图4-11编号27处等效单元弯曲应变(2)(2)编号1处螺栓松动啪图4-13编号1处等效单元弯曲应变(2) 武汉理工大学硕士学位论文图4--14编号2处等效单元弯曲应变(1)图4-15编号2处等效单元弯曲应变(2)3)编号13处螺栓松动埘图4-16编号13处等效单元弯曲应变(1) 武汉理工大学硕士学位论文图4-17编号13处等效单元弯曲应变(2)由上述螺栓松动的几种工况可以看出，一处螺栓松动，对损伤局部位置的影响很明显，应变明显发生变化，但是，从图中也可以看出，螺栓松动对于对附近单元的应变影响很小。同时，由于风向的原因和螺栓松动的原因，在螺栓松动的一侧应变由明显的变化，而螺栓松动的另外一侧，应变几乎没有变化。并且，两处损伤对结构其他位置的影响比较小．这从下面的图中可以看出这点。4．43．2两处螺栓松动(一)编号13。17处螺栓松动啪图4-18编号13处等效单元弯曲应变(1)啪’图4．19编号13处等效单元弯曲应变(2) 武汉理工大学硕士学位论文黼图睨1编号17处等效单元弯曲应变(2)“¨图4-22编号18处等效单元弯曲应变(2)图4-23编号18处等效单元弯曲应变(2)(二)编号1，2处螺栓松动 武汉理工大学硕士学位论文图4．24编号1处等效单元弯曲应变(1)图4．27编号1处等效单元弯曲应变(2) 武汉理工大学硕士学位论文●舯图4_28编号3处等效单元弯曲应变(1)图4．29编号3处等效单元弯曲应变(2)【三)编号1，13处螺栓松动 武汉理工大学硕士学位论文图4-31编号1处等效单元弯曲应变(2)删图4．33编号13处等效单元弯曲应变(2)4．4．3．3两处螺栓松动位移、速度、加速度影响分析善o∞5崔智o#n∞暮0∞薯。豇茼丽卿蓁：阿舭蝌嘲蚕。县——盲——气广一垂匈瓣稠韭№蝴黼羹4}——————刍———==—茹r———‘图4-33编号1，2处松动附近点位移、速度、加速度比较考虑到篇幅，这里只列出一种损伤工况的位移、速度及加速度的比较。从5042O2●富呈捌饕墨嚣鼻 武汉理工大学硕士学位论文中看出，两处损伤对位移、速度及加速度响应影响很小。4．5本章小结本章在第二章风荷载模拟和第三章输电塔线体系模型建立的基础上，对输电塔线体系进行了静力分析，并利用静力分析的结果，计算了结构在脉动风作用下无损和各种损伤工况的风振响应计算，并对风振响应的结果进行了分析。由于本文只是对输电铁塔螺栓松动损伤诊断新方法作前期的准备工作，所以，本文只计算了输电塔在一个风向风荷载作用下的风振响应。通过本节的分析，我们可以得出这样的结论：单处的螺栓松动损伤对整个结构的影响很小，这从位移、速度、加速度完好和损伤工况下的比较可以看出，即使是对螺栓所在的杆件也是如此。但是螺栓松动对局部量是非常的敏感，在松动4个螺栓的情况下，等效单元的弯曲应变变化明显。基于此，本文认为，对于输电铁塔螺栓松动损伤诊断基于通过模态的方法来进行损伤诊断有一定的难度，而基于应变响应的损伤诊断方法是有前景的．51 武汉理工大学硕士学位论文5．1结论第五章结论与展望本文以某输电铁塔线体系为研究对象，研究了钢管塔法兰联接螺栓松动前后的风振响应．基于此，本文进行了风荷载模拟，并利用MATIAB语言编制了反映法兰联接节点螺栓联接状况的输电塔有限元模型程序，计算了输电塔结构的风振响应，分析了螺栓松动前后的位移、速度、加速度及某些重要位置的应变响应。为输电塔螺栓松动诊断新方法的实施作了一定的准备工作。根据本人的研究并结合前人的研究成果，可以得出以下结论：1、由本文的算例可知，谐波叠加法是一个有效模拟随机风荷载的方法。其理论基础严密，适用范围广．本文的程序也适用于高层建筑的风荷载模拟。但是谐波叠加法对计算机的要求较高，当模拟点数较多时，很耗机时。2、本文在把螺栓松动损伤等效为法兰联结处等效杆件刚度下降的基础上，通过优化等效的方法建立了有螺栓松动损伤的输电塔损伤简化等效模型，通过分析，此等效方法是有效的。3、通过本文的分析发现，结构的位移、速度、加速度响应对输电铁塔螺栓的松动损伤很不敏感。而且，考虑到实际测量噪声及偶然误差的存在，使得基于位移响应的损伤识别方法有相当的难度。4、通过本文的分析还发现，输电铁塔螺栓的松动损伤对损伤处局部应变的影响较大。因此，基于应变响应的损伤指标是敏感的，具有实际的测试意义。5．2展望本文对输电铁塔螺栓松动情况下的风振响应研究，为输电塔螺栓松动损伤诊断的后续研究作了一些准备。但是限于作者的学识水平和现有条件的限制，真正能实现输电塔螺栓松动的损伤诊断，本文认为还有如下问题需要进一步研究：1、寻找适合于输电塔螺栓松动损伤的敏感指标，并从不同损伤角度、不同学科相结合的方法，去探寻实现输电塔联接螺栓松动损伤识别的可能。 武汉理工大学硕士学位论文2、从理论分析的结果可知，基于应变响应的方法进行损伤诊断是一种可行的方法。但是在实际的测试中，测量的方案以及测量数据的噪声处理等都是影响能否进行损伤诊断的重要因素。从这个角度出发，测试手段的选择及测试噪声的处理等将是实现结构损伤诊断的一个重要研究课题。3、具体损伤诊断方法的研究。因为大多数结构都是在服役一段时间后来进行检测，那么完好结构的实际状况，往往是未知的。如何进行完好状况时结构参数的获得或者直接利用结构损伤后的信息进行损伤识别方法的研究是必须的。53 武汉理工大学硕士学位论文参考文献【11黄东梅．高耸塔架结构接点损伤的两步诊断法．武汉理工大学硕士学位论文，2003．5【2】郭佳凡．高耸塔架结构节点损伤的诊断方法．武汉理工大学硕士学位论文，2004．11【3】张开鹏．结构识别方法研究，武汉理工大学博士学位论文，2004．10．【4】林宝允小波变换在结构损伤识别中的应用研究，浙江大学硕士学位论文．2006．3．15】郭健．基于小波分析的结构损伤识别方法研究．浙江大学博士学位论文．2004．6．【6】RenWei-xin,DeSoedgG．Structuraldamageidentificationusingmodaldata．1：Simulationverification．JonmalofStructuralEngiIl∞Iin舀ASCE，2002,128(1),87-95．[71RonWei-xin,DeRoeck,G．Structuraldamageidentificationusingmodaldata．11：Testverification．JournalofStructuralEngineering,ASCE’2002，128(1)，96-104．嘲宗周红，任伟新，阮毅．土木工程结构损伤诊断研究进展．土木工程学报，2003,36(5)：105—110．【9】高维成，刘伟，邹经湘．基于结构振动参数变化的损伤探测方法综述．振动与冲击。V01．23No．42004．flO]孙增寿．基于小波的土木工程结构损伤识别方法研究．福州大学博士研究生学位论文,2006．10【11]PandeyAK,BiswasM．DamageDetectioninSuucturesUsingChangesinFlexibilityJournalofSoundandVibration,1994．17f12]Bernard．LoadVectorsforDamageLocalizationASCEJournalofEngineeringMechanics,2002．14【131N．StubbsJ．-T．Kim,C．R．farrir．FieldVerificationofaNondestructiveDamageLocalizationandSensitivityEstimatorAlgorithnl．Proceedingsofthe13thInternationalModalAnalysisConference．1995．210-218．【14】陈长征，罗跃纲，白秉三，唐忠．结构损伤检测与智能诊断．北京：科学出版社，1999．【15]：F肇民．塔桅结构．上海：同济大学出版社，1989．【16】殷惠君，大跨越输电线路的风振反应分析与振动控制．武汉理工大学硕士学位论文。2003．6．【17]孙炳楠．大跨越愉电塔线体系的风振响应及振动控制研究．浙江大学博士学位论文。．2006．4【18]刘万群．大跨越输电塔线体系风振响应研究．同济大学工学硕士学位论文，2006．3【19]t1壁村．高耸结构风振响应和风振疲劳研究．浙江大学博士学位论文，2005．5 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武汉理工大学硕士学位论文作者在攻读硕士学位期间发表和完成的论文1．徐永波．基于模态应变能的结构损伤定位方法初探。中国科技论文在线，编号：200704-581。57 武汉理工大学硕士学位论文致谢本文得以完成，首先要感谢我的导师瞿伟廉教授!在三年的硕士生活中，导师严谨的治学态度、细致的工作作风、广博的学识、活跃的学术思想对我产生了巨大的影响，这些都使我终生受用。在这三年里，我的学习能力、科研能力等各个方面得到了很好的锻炼，这必将对我的未来产生深远的影响!本文的完成过程可谓困难曲折，走了很多的弯路!最终得以完成，人的身心都受到了极大考验!同时论文的完成也得益于我的导师瞿伟廉教授，这里再次表达学生的诚挚谢意!也要特别感谢徐家云老师，魏文晖老师，刘晖老师、周强老师、涂建维老师能评阅我的论文l在这三年的学习和生活的过程中，得到了涂建维老师、刘晖老师、周强老师的诸多帮助，借此机会再次表示我诚挚的谢意!还要特别感谢秦文科博士、王锦文博士、刘嘉博士l在我最为困难的时候给了我莫大的帮助与鼓舞!还有实验室王志春、曾婵娟、李虎、何杰、刘琳娜、彭琦、李海峰、闰淼、阮灿椿、张渔勇、王清涛、潭亚伟、汪震等，感谢大家的帮助及留给我的美好回忆!还有共同走过七年风雨的室友明进文、周寰、彭贵敏，他们是我一生的财富!最后，值此毕业之际，我要感谢我的父母及兄嫂，是他们的理解和支持使我能够完成学业!还有亲朋好友，他们对我及我家人的帮助让我没有了后顾之忧l徐永波2007年5月