考慮環(huán)境因素并基于實測頻率的輸電桿塔損傷識別

高磊 陳揚(yáng)哲 初金良 黃镠

考慮環(huán)境因素并基于實測頻率的輸電桿塔損傷識別

高磊1，*陳揚(yáng)哲2初金良1黃镠1

（1.國網(wǎng)麗水供電公司，麗水 323000； 2.國網(wǎng)松陽縣供電公司，麗水 323000）

環(huán)境溫度和濕度對結(jié)構(gòu)頻率有明顯影響，但是目前關(guān)于環(huán)境因素對輸電桿塔結(jié)構(gòu)頻率的影響規(guī)律研究較少，導(dǎo)致傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)損傷識別方法精度偏低。對一個實際輸電塔進(jìn)行長期健康監(jiān)測，獲取不同溫度和濕度下的結(jié)構(gòu)動力信號，并進(jìn)行頻譜分析。根據(jù)實測結(jié)構(gòu)頻率，采用響應(yīng)面法對輸電桿塔進(jìn)行模型修正及損傷分析?；趯嶋H監(jiān)測數(shù)據(jù)分別建立了輸電桿塔的“溫度-頻率”和“濕度-頻率”關(guān)系模型，研究環(huán)境因素對輸電塔一階頻率的影響，并為基于頻率的結(jié)構(gòu)損傷識別提供修正方法。結(jié)果表明，輸電塔一階頻率與環(huán)境溫度呈正相關(guān)，而與環(huán)境濕度呈負(fù)相關(guān)。根據(jù)關(guān)系模型剔除環(huán)境因素影響之后的結(jié)構(gòu)損傷程度與真實情況更加吻合，在實際結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和損傷識別中應(yīng)重視環(huán)境因素的影響。

損傷識別， 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測， 頻率， 溫度， 濕度， 輸電塔

0 引 言

輸電桿塔長期暴露在自然環(huán)境中，遭受交替性氣候變化和降水等環(huán)境因素的影響。在環(huán)境影響下，輸電桿塔構(gòu)件將發(fā)生疲勞和腐蝕，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷甚至有功能失效的風(fēng)險［1］。高壓輸電是我國電力輸送的重要組成部分，一旦輸電桿塔發(fā)生破壞，必然會給國家?guī)韲?yán)重?fù)p失。目前的結(jié)構(gòu)損傷評定通常認(rèn)為損傷可以用結(jié)構(gòu)剛度降低來表征［2］，由于結(jié)構(gòu)剛度和頻率存在明確的對應(yīng)關(guān)系，且結(jié)構(gòu)頻率相對容易獲取，因此開展基于頻率變化的輸電塔損傷識別方法具有重要意義。然而，結(jié)構(gòu)頻率也受到環(huán)境溫度和濕度變化的影響，因此通過頻率實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)損傷識別需要剔除該影響。

近年來，許多學(xué)者開展了諸如溫度和濕度等環(huán)境因素對結(jié)構(gòu)動力性能尤其是頻率影響的研究。黃旭等［3］對某大跨度鋼箱梁懸索橋所在地的溫度實測數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)概率分布擬合，得到了當(dāng)?shù)氐臏囟葮O值，然后通過建立懸索橋有限元模型研究了不同溫度對橋梁自振頻率的影響。宗周紅等［4］考慮溫度對材料彈性模量以及幾何特性的影響，研究了溫度對結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率的影響機(jī)理，并以實際工程橋梁為背景，得到了較長時間尺度內(nèi)溫度和斜拉橋頻率的相關(guān)關(guān)系。李小年等［5］從理論上推導(dǎo)了溫度對頻率的影響公式，利用有限元模擬來考慮溫度對結(jié)構(gòu)頻率的影響。閔志華等［6］通過對東海大橋主航道斜拉橋的監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，揭示了溫度是影響結(jié)構(gòu)動力特性變化的主要環(huán)境因素。李順龍等［7］應(yīng)用ANN算法對天津永和橋的加速度和溫濕度實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了溫濕度與結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率的關(guān)系模型。

然而，以上研究主要探究的是基于鋼筋混凝土橋梁的模態(tài)頻率與環(huán)境溫濕度的關(guān)系，關(guān)于輸電桿塔等鋼結(jié)構(gòu)的研究較少。由于鋼筋混凝土橋梁與輸電桿塔結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)形式和材料等方面均不相同，因此相關(guān)方法和結(jié)論能否直接應(yīng)用尚需驗證［8-10］。本文通過采用現(xiàn)場監(jiān)測的形式［11-16］，實現(xiàn)了輸電桿塔的加速度及環(huán)境濕度和溫度等數(shù)據(jù)的動態(tài)實時采集，并研究了頻率與溫度和濕度的相關(guān)關(guān)系，為傳統(tǒng)損傷識別技術(shù)提供了改進(jìn)方法。

1 試驗概況

1.1　輸電塔現(xiàn)場概況

本文以位于某地區(qū)220 kV某線路上的直線輸電桿塔為研究對象，該塔位于山區(qū)，環(huán)境較復(fù)雜，需要考慮結(jié)構(gòu)損傷識別和性能評估。桿件截面均為L形角鋼，各桿件采用螺栓連接，主材采用Q345鋼材，輔材采用Q235鋼材，塔高44 m，呼高28 m。輸電塔結(jié)構(gòu)現(xiàn)場如圖1所示。

圖1　輸電塔現(xiàn)場實景圖

1.2　傳感器布置情況及現(xiàn)場健康系統(tǒng)

為了得到輸電桿塔真實的溫度、濕度及模態(tài)頻率數(shù)據(jù)，在該輸電塔上安裝了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括10個加速度傳感器、4個溫濕度傳感器及4個風(fēng)速風(fēng)向儀，其中加速度傳感器采用低頻振動傳感器。傳感器布置位置如圖2所示。

圖2　輸電塔傳感器布置圖

加速度傳感器分別位于塔上7.5 m、12 m、16 m、28 m和40 m等5個高度處，并在每個高度上水平正交布置2個傳感器，分別采集平面內(nèi)2個方向的振動情況，采樣率設(shè)置為100 Hz。溫濕度傳感器和風(fēng)速風(fēng)向儀布置在塔的4.5 m、16 m、28 m和40 m高度處，采集的數(shù)據(jù)包括溫度、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向，溫濕度傳感器的采樣率為0.01 Hz，風(fēng)速風(fēng)向儀采樣率為50 Hz。采用不同高度多組傳感器同時采集，不僅能更加全面準(zhǔn)確地反映輸電桿塔的健康狀況，同時也能保證數(shù)據(jù)的有效性。所有傳感器和采集設(shè)備均通過太陽能獨立供電系統(tǒng)提供能源。

加速度傳感器、溫濕度傳感器和風(fēng)速風(fēng)向儀用信號線集成到綜合采集儀上，通過無線傳輸設(shè)備將傳感器采集數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)竭h(yuǎn)端后臺搭建的云平臺上。可以在云平臺上查看當(dāng)前實時監(jiān)測數(shù)據(jù)以及下載歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。健康監(jiān)測系統(tǒng)整體構(gòu)成示意圖如圖3所示。

圖3　輸電塔健康監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

2 基于實測數(shù)據(jù)采集和分析

現(xiàn)場健康系統(tǒng)能實時不間斷地采集輸電塔的環(huán)境信息變化量和結(jié)構(gòu)模態(tài)信息，通過對采集的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和分析，選取了2020年5月份到2020年8月份時段內(nèi)的數(shù)據(jù)，通過對比不同通道的數(shù)據(jù)結(jié)果選出信噪比小的最優(yōu)通道以及剔除數(shù)據(jù)中的異常點，最終得到準(zhǔn)確有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

由于加速度傳感器和溫濕度風(fēng)速風(fēng)向儀采樣頻率不一致，一個采集間隔下的采集時間也較短，因此，選取12 min內(nèi)采集的數(shù)據(jù)作為一個工況。對于輸電塔加速度數(shù)據(jù)，取每120 s數(shù)據(jù)做一次Fourier變換，根據(jù)譜峰值法確定第一階頻率，從而得到1組頻率和加速度的數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系，這樣每12 min共有6組頻率和加速度的數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系。去除頻率結(jié)果中的最大值和最小值再計算平均值從而確定最終的實測第一階頻率值。對于溫度和濕度數(shù)據(jù)，取12 min內(nèi)采集的4組溫度和濕度數(shù)據(jù)求平均值，作為該工況下環(huán)境影響因素溫度和濕度的基本數(shù)據(jù)。輸電桿塔典型位置的加速度實測曲線以及對應(yīng)的Fourier變換幅值譜分別如圖4和圖5所示，輸電桿塔典型位置的溫度和濕度時程曲線如圖6和圖7所示。根據(jù)實測數(shù)據(jù)求得輸電塔一階模態(tài)頻率的平均值為2.487 0 Hz，將其作為結(jié)構(gòu)頻率的標(biāo)準(zhǔn)值。

圖4　典型位置的輸電桿塔加速度實測信號

圖5　典型位置的加速度Fourier譜

圖6　溫度時程圖

圖7　濕度時程圖

3 有限元建模及模型修正

為了實現(xiàn)考慮環(huán)境因素的輸電桿塔損傷識別，首先需要通過有限元分析對該桿塔的損傷狀態(tài)進(jìn)行模擬并得到其前若干階頻率變化情況，進(jìn)而進(jìn)行有限元模型修正，最終為基于實測數(shù)據(jù)的頻率識別和損傷分析提供基本依據(jù)。本文選用ANSYS有限元軟件建立輸電塔模型，采用Link180單元模擬輸電塔桿件斜支撐，Beam188單元模擬輸電塔桿件主材，桿件截面均采用L型鋼，塔腿邊界條件由豎向、橫向和縱向約束體系構(gòu)成，三個方向均采用固定支座邊界條件進(jìn)行模擬。輸電塔整體的有限元模型及前三階振型圖如圖8所示。

圖8　輸電桿塔前三階振型圖

由于輸電桿塔的有限元模型與實際結(jié)構(gòu)有所差異，只有根據(jù)實測頻率及材料性能等條件對有限元模型進(jìn)行修正才能使有限元模型與真實結(jié)構(gòu)具有基本相同的動力特性。響應(yīng)面法是一種以實驗設(shè)計為基礎(chǔ)用于多變量問題建模和分析的統(tǒng)計學(xué)方法，能以較少次數(shù)的試驗擬合出參數(shù)與響應(yīng)間的復(fù)雜關(guān)系式。因此，本文利用響應(yīng)面法進(jìn)行有限元模型的修正。通過在有限元分析中生成鋼材彈性模量的隨機(jī)樣本獲得相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型及其結(jié)構(gòu)頻率，采用帶交叉項的完整二次型函數(shù)來擬合二者之間的關(guān)系，選取與實測頻率最接近的彈性模量取值作為鋼材的實際參數(shù)，并對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行調(diào)整，最終完成修正，相關(guān)方法可參考文獻(xiàn)［17］?；谟邢拊Ｐ蛯旊姉U塔的自振特性進(jìn)行研究，通過模態(tài)分析獲得輸電塔的前6階頻率。用響應(yīng)面法對輸電塔進(jìn)行了基于彈性模量的模型修正。最終，修正模型的前6階頻率參見表1中的無損結(jié)果。

進(jìn)一步對修正模型進(jìn)行整體損傷模擬，以模擬輸電桿塔桿件形成的不同程度的損傷。在輸電桿塔所有桿件的材料損傷分別為0%、5%、10%和20%的情況下，得到輸電塔的主要階頻率信息，結(jié)果如表1所示。通過該結(jié)果可以建立具有不同損傷程度的結(jié)構(gòu)與其頻率之間的關(guān)系。

表1　 修正有限元模型在不同程度損傷下的頻率

4 環(huán)境溫度和濕度對輸電塔頻率的影響

為了實現(xiàn)考慮實際環(huán)境影響下的輸電桿塔的損傷識別，尚需研究輸電桿塔一階頻率與環(huán)境溫度或濕度的關(guān)系。按前文獲取典型的結(jié)構(gòu)頻率、溫度、濕度數(shù)據(jù)組的方法得到大量的樣本數(shù)據(jù)，其中頻率與溫度的樣本參見圖9的散點數(shù)據(jù)，頻率與濕度的樣本參見圖10的散點數(shù)據(jù)。采用最小二乘法分別建立實測頻率數(shù)據(jù)與溫度及濕度線性擬合函數(shù)，頻率與溫度及濕度的擬合關(guān)系分別如圖9和圖10所示。

圖9　頻率與溫度散點圖

圖10　頻率與濕度散點圖

環(huán)境溫度和濕度與輸電桿塔一階頻率關(guān)系如式（1）、式（2）所示：

式中：與分別為輸電塔環(huán)境因素中的溫度和濕度；T與H分別為溫度和濕度關(guān)系下對應(yīng)的結(jié)構(gòu)實際頻率。

由以上結(jié)果可以看出，環(huán)境溫度和環(huán)境濕度對輸電桿塔一階頻率均有較大影響。對溫度范圍為［22 ℃，36 ℃］區(qū)域內(nèi)進(jìn)行線性擬合時，數(shù)據(jù)變化趨勢基本為線性，結(jié)構(gòu)一階頻率隨環(huán)境溫度的升高而增大，兩者關(guān)系為近似正相關(guān)。在濕度為［60%，90%］范圍內(nèi)進(jìn)行線性擬合時，雖然存在部分?jǐn)?shù)據(jù)點離散性較大，但是整體擬合效果較好。結(jié)構(gòu)一階頻率隨著環(huán)境濕度的增大而減小，兩者關(guān)系為近似負(fù)相關(guān)。該結(jié)果與傳統(tǒng)研究得到的鋼筋混凝土橋梁頻率與溫度或濕度的關(guān)系結(jié)論相反，這是因為輸電桿塔的材料全部為鋼材，且只有底部固接，二者的結(jié)構(gòu)形式和約束條件均不相同，所以當(dāng)研究環(huán)境因素影響下的輸電桿塔動力性能時不能套用橋梁等結(jié)構(gòu)的研究成果，而需重視實際測試的結(jié)果及特征［18］。

為了綜合考慮環(huán)境溫度和濕度對輸電桿塔結(jié)構(gòu)的一階頻率影響，本文提出采用加權(quán)的方式建立考慮環(huán)境因素影響的頻率修正公式，如下

式中：m為綜合修正頻率；和分別為關(guān)于溫度和濕度的加權(quán)影響系數(shù)。

由于溫度對結(jié)構(gòu)頻率的影響更顯著，而濕度的影響偏弱，結(jié)合實際工程經(jīng)驗，建議分別取0.7和0.3。經(jīng)驗證，適當(dāng)調(diào)整其權(quán)重并不會改變基本結(jié)果和結(jié)論，取值是合理的。

5 考慮環(huán)境因素的改進(jìn)損傷識別方法

由以上結(jié)果可以確認(rèn)溫濕度對輸電桿塔頻率有較大影響，進(jìn)行健康監(jiān)測和損傷識別時需要考慮該效應(yīng)并應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗公式力求剔除相關(guān)影響。前文通過對輸電塔環(huán)境因素變化數(shù)據(jù)和模態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，建立了“頻率-溫度”和“頻率-濕度”的擬合模型，量化了環(huán)境溫度和環(huán)境濕度對輸電塔一階頻率的影響。為了研究上述擬合修正方法的準(zhǔn)確性，選取該輸電桿塔在其他時段的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。

統(tǒng)計結(jié)果表明：當(dāng)環(huán)境溫度在［20 ℃，34 ℃］范圍內(nèi)時，結(jié)構(gòu)一階頻率實測值與擬合模型的計算值基本相符；當(dāng)環(huán)境濕度在［65%，95%］范圍內(nèi)時，頻率實測值也與擬合模型的計算值接近。表2列出了4組最新數(shù)據(jù)（2020年9月）的典型頻率結(jié)果，具體包括由修正有限元模型得到的理論頻率0、實測頻率s，根據(jù)溫度和濕度擬合模型得到的修正頻率T和H，以及綜合修正頻率m。

表2　 輸電塔典型頻率結(jié)果

采用基于頻率變化的公式計算結(jié)構(gòu)損傷程度：

式中，c是損傷分析用頻率，可是s、T、H或m。

利用上式分別計算根據(jù)實測頻率s、溫度和濕度擬合模型得到的修正頻率T和H，以及綜合修正頻率m對應(yīng)的損傷程度s、T、H和m，結(jié)果如表3所示。

表3　 輸電塔在不同修正模型下的損傷程度

在健康監(jiān)測系統(tǒng)實際運(yùn)營中，將10%的損傷作為預(yù)警閾值，若超出該值將進(jìn)行自動報警。在工況1、2、4的結(jié)果中，由實測頻率直接計算損傷值在5%～10%區(qū)間，工況3甚至判斷損傷值是在10%以上，將錯誤預(yù)警。這與輸電塔實際沒有發(fā)生較大損傷的事實不符。采用本文的綜合修正方法后，所有工況結(jié)果均得到有效修正，且工況3的損傷值被修正為0.09，并未超過10%，不會做出誤判。由以上分析可以得知，基于輸電塔實測數(shù)據(jù)和有限元分析建立的頻率修正模型，能夠有效排除環(huán)境因素對頻率的干擾，降低誤判的風(fēng)險，通過獲取的準(zhǔn)確頻率對輸電塔的健康狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)識別。

6 結(jié) 論

開展環(huán)境溫度和環(huán)境濕度對于輸電塔一階頻率影響的研究，有助于深入了解環(huán)境因素變化對輸電塔結(jié)構(gòu)動力特性的影響，對于輸電塔的健康監(jiān)測和損傷識別具有重要意義。本文以浙江省麗水市某一真型塔為實驗對象，搭建了輸電塔健康監(jiān)測系統(tǒng)，并建立了對應(yīng)的有限元模型進(jìn)行模型修正。通過應(yīng)用傅里葉變換對輸電塔實測加速度進(jìn)行處理，并對溫度、濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，得到了輸電塔一階模態(tài)頻率及與之對應(yīng)的環(huán)境溫度和濕度數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，一階頻率與環(huán)境溫度和濕度有著較明顯的相關(guān)性。輸電塔一階模態(tài)頻率與環(huán)境溫度基本呈正相關(guān)，而與環(huán)境濕度基本呈負(fù)相關(guān)。通過數(shù)據(jù)擬合方法分別建立了一階頻率與環(huán)境濕度和環(huán)境溫度的關(guān)系模型。通過對實測監(jiān)測數(shù)據(jù)分析并采用擬合模型進(jìn)行預(yù)測，驗證了該關(guān)系模型的準(zhǔn)確性。本研究方法和模型可為輸電塔基于環(huán)境因素溫度和濕度的健康監(jiān)測和損傷識別提供技術(shù)支持。

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Damage Identification of Transmission Tower Considering Environmental Factors and Based on Measured Frequency

GAOLei1，*CHENYangzhe2CHUJinliang1HUANGLiu1

（1.State Grid Lishui Power Supply Company， Lishui 323000， China； 2.State Grid Songyang Power Supply Company， Lishui 323000， China）

Environmental temperature and humidity have obvious influence on the structural frequencies， but there are few researches on the influence of environmental factors on the structural frequency of transmission towers， which leads to the low accuracy of structural damage identification. The frequency spectrum of different environmental factors of the transmission tower is obtained for long-term monitoring. According to the measured structural frequency，the response surface method is used to modify the model and the damage analysis of the transmission tower is carried out. Based on the actual monitoring data， the “temperature-frequency” and “humidity-frequency” relationship models of transmission tower are established respectively to study the influence of environmental factors on the first-order frequency of transmission tower， and the updated structural damage identification method is proposed. The results show that the first-order frequency of transmission tower is positively correlated with ambient temperature and negatively correlated with ambient humidity. According to the relationship model， the degree of structural damage after eliminating the influence of environmental factors is more consistent with the real situation. In the actual structural health monitoring and damage identification， attention should be paid to the effect of environmental factors.

damage detection， structural health monitoring， frequency， temperature， humidity， transmission tower

2021-04-06

聯(lián)系作者：高 磊（1987-），男，工程師，研究方向為輸電線路維護(hù)。E-mail：hhx7856@126.com