CN101956476A

CN101956476A - 一种基于动力特征的输电塔结构失效预警方法

Info

Publication number: CN101956476A
Application number: CN 201010514244
Authority: CN
Inventors: 费庆国; 韩晓林
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2011-01-26

Abstract

本发明公开一种基于动力特征的输电塔结构失效预警方法，包括如下步骤：(1)建立输电塔高保真动态有限元模型；(2)建立输电塔动力特征变化率与荷载之间的函数关系；(3)利用振动传感器获得输电塔在工作状态下的动力特征；(4)根据实测动力特征的变化率和上述函数关系，对输电塔结构失效进行预警。本发明通过将实测动力特征与结构先验分析相结合，可以对工作状态下输电塔的结构失效问题进行预警；本发明运用高保真建模技术、运行状态模态识别技术，可以在结构失效发生前准确地做出预警，避免重大事故的发生。

Description

一种基于动力特征的输电塔结构失效预警方法

技术领域

本发明涉及一种应用于工程结构的失效预警方法，尤其涉及一种应用于输电塔的结构失效预警方法。

背景技术

输电线路是高负荷电能输送的载体，是重要的生命线工程。作为输电线路的核心组成部分，输电塔的结构安全对整个输电线路的安全至关重要。2008年初全国范围内的暴风雪、冻雨等极端天气条件，引起湖南、贵州等地2000余座输电塔倒塌，导致大范围停电事故。因而，对输电塔结构实施安全监测十分必要。

输电塔结构安全监测的重点是结构在工作状态下的力学特征，包括静力特征(应力和位移等)和动力特征(振动频率和响应等)两大类。利用结构应力等静力特征对结构进行安全监测已有一定的研究。但是，对工作状态下的输电塔，目前的技术手段难以获得很准确的结构全场应力特征。因而，基于静力特征的监测方法研究重点在于结构应力特征的准确获取。与此同时，目前的技术手段已经能够准确获得工作状态下输电塔的动力特征，特别是频率特征。然而，如何利用动力特征对结构进行安全监测，特别是对结构失效问题进行预警尚缺乏有效的方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种基于动力特征的输电塔结构失效预警方法，重点解决如何将实测动力特征和结构先验分析相结合，对工作状态下的输电塔的结构失效问题进行预警，从而建立输电塔结构失效预警方法。

技术方案：本发明所述的基于动力特征的输电塔结构失效预警方法，具体包括如下步骤：

(1)建立输电塔高保真动态有限元模型：

首先，建立输电塔的初始有限元模型；

其次，根据输电塔竣工时的实测动力特征对初始有限元模型进行修正，获得高保真动态有限元模型。

(2)建立输电塔动力特征变化率与荷载之间的函数关系：

首先，确定输电塔的极限荷载；

其次，以极限荷载为上限，确定分级荷载；

再次，计算在分级荷载下的动力特征，并求相对于竣工时动力特征的变化率；

最终，建立动力特征变化率和荷载间的函数关系；

(3)利用振动传感器获得输电塔在工作状态下的动力特征：

首先，在输电塔安装振动传感器；

其次，通过振动传感器测量输电塔工作状态下的振动响应；

最终，采用运行状态模态识别技术获得工作状态下的动力特征，并计算该动力特征相对于竣工时动力特征的变化率。

(4)根据实测动力特征的变化率和上述函数关系，对输电塔结构失效进行预警：

首先，将实测动力特征变化率代入函数关系，求解荷载；

其次，将该荷载与结构失效荷载进行比较，判断结构是否将发生失效，将失效则发出失效预警。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明通过将实测动力特征与结构先验分析相结合，可以对工作状态下输电塔的结构失效问题进行预警；本发明运用高保真建模技术、运行状态模态识别技术，可以在结构失效发生前准确地做出预警，避免重大事故的发生。

附图说明

图1为本发明实施例中运用高保真建模技术获得输电塔高保真动态有限元模型；

图2为本发明实施例中结构的荷载-位移曲线图；

图3为本发明实施例中动力特征变化率和荷载间的函数关系图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

以某输电塔为例，采用本发明的方法对其进行结构失效预警，具体步骤如下：

(1)建立输电塔高保真动态有限元模型，具体方法如下：

首先，建立输电塔的初始有限元模型：输电塔的有限元建模有多种方案，本实施例中采用梁杆混合方案为例进行说明，即：采用梁单元模拟主材、横杆、斜撑和主腹杆，采用杆单元模拟次腹杆，有限元模型共含有1184个单元。初始有限元模型的计算结果，包括模态阶次、模态振型及对应的模态频率见表1。

表1初始有限元模型的模态频率及误差

模态阶次和振型	初始计算模态频率(Hz)
		横向第一阶弯曲模态	0.809
纵向第一阶弯曲模态	0.827

其次，以输电塔竣工时的实测模态频率为目标值对初始有限元模型进行修正。有限元模型修正可以采用的方法有多种，本例中采用基于灵敏度分析的有限元模型修正方法。表2是修正前后模态频率误差对比，由表可知，修正后结构计算模态频率误差不足1％，有限元模型动态分析精度很高，是高保真动态有限元模型。

表2修正前后模态频率误差对比

(2)建立输电塔动力特征与荷载之间的函数关系，具体方法如下：

首先，采用非线性屈曲分析确定输电塔的极限荷载，获得结构的荷载-位移曲线如图2所示，可知极限荷载为47m/s。

其次，以极限荷载为上限，确定分级荷载。分级荷载分别为22.2m/s，30m/s，42.4m/s，44.5m/s，46.5m/s，46.8m/s和47m/s。

第三，计算在分级荷载下的动力特征，并求相对于竣工时动力特征的变化率。本实施例中以输电塔横向第一阶振动模态频率为动力特征进行说明，求得7种荷载下横向第一阶振动模态频率相对于竣工时横向第一阶振动模态频率的变化率。

最终，建立动力特征变化率和荷载间的函数关系。将上述分级荷载下的输电塔横向第一阶振动模态频率的变化率作为自变量，将荷载作为因变量，建立函数关系，该函数关系以图形显示为图3。

(3)利用振动传感器获得输电塔在工作状态下的动力特征，具体方法如下：

首先，在输电塔安装振动传感器。安装适合该输电塔动力特征范围的振动加速度传感器。

其次，通过振动传感器测量输电塔工作状态下的振动响应。即通过振动传感器测得输电塔工作状态下的振动加速度。

最终，采用运行状态模态识别技术获得工作状态下的动力特征。运行状态模态识别技术有多种，本例中采用随机子空间方法进行识别，利用该方法分析输电塔工作状态下的振动加速度，获得动力特征，计算其相对于竣工时动力特征的变化率。本实施例中变化率为2％。

(4)根据实测动力特征变化率和上述函数关系，对输电塔结构失效进行预警，具体方法如下：

首先，将实测动力特征变化率代入函数关系，求解荷载。即将测量得到的输电塔横向第一阶模态频率2％的变化率代入函数关系，求得输电塔此刻承受的荷载为43m/s。

其次，将该荷载与结构失效荷载进行比较，判断结构是否将发生失效，将失效则发出失效预警。将上一步求得的输电塔荷载43m/s与其极限荷载47m/s进行比较，该荷载很接近极限荷载，意味着该塔将发生结构失效的事故，此时监测系统发出结构失效预警。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims

1.一种基于动力特征的输电塔结构失效预警方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)建立输电塔高保真动态有限元模型；

(2)建立输电塔动力特征变化率与荷载之间的函数关系；

(3)利用振动传感器获得输电塔在工作状态下的动力特征；

(4)根据实测动力特征的变化率和上述函数关系，对输电塔结构失效进行预警。

2.根据权利要求1所述的基于动力特征的输电塔结构失效预警方法，其特征在于步骤(1)包括如下步骤：

(11)建立输电塔的初始有限元模型；

(12)根据输电塔竣工时的实测动力特征对初始有限元模型进行修正，获得高保真动态有限元模型；

3.根据权利要求1所述的基于动力特征的输电塔结构失效预警方法，其特征在于步骤(2)包括如下步骤：

(21)确定输电塔的极限荷载；

(22)以极限荷载为上限，确定分级荷载；

(23)计算在分级荷载下的动力特征，并求相对于竣工时动力特征的变化率；

(24)建立动力特征变化率和荷载间的函数关系；

4.根据权利要求1所述的基于动力特征的输电塔结构失效预警方法，其特征在于步骤(3)包括如下步骤：

(31)在输电塔安装振动传感器；

(32)通过振动传感器测量输电塔工作状态下的振动响应；

(33)采用运行状态模态识别技术获得工作状态下的动力特征，并计算该动力特征相对于竣工时动力特征的变化率。

5.根据权利要求1所述的基于动力特征的输电塔结构失效预警方法，其特征在于步骤(4)包括如下步骤：

(41)将实测动力特征变化率代入函数关系，求解荷载；

(42)将该荷载与结构失效荷载进行比较，判断结构是否将发生失效，将失效则发出失效预警。