一种用于输电塔力学特性测试的监测点选取方法与流程

本发明属于输电塔监测领域，具体涉及一种用于输电塔力学特性测试的监测点选取方法。

背景技术：

铁塔结构监测的基本功能是通过传感器系统来实现的，从理论上讲，结构监测使用的传感器越多，结构特性的描述就越准确。但传感器的数量总是有限的，合理布置传感器是保证结构监测质量的前提，特别是对于大跨越输电塔这样的复杂结构，传感器布设的质量尤为重要，在已经明确监测项目的前提下，为了在含噪声的实时环境监测信号中利用所布设的有限个传感器，获取尽可能多的监测信息，并使实测值对输电塔结构变化敏感具有良好的鲁棒性，实现对结构状态改变信息的最优采集，需要根据输电塔结构特点及测量条件进行优化传感器布设。

目前，在铁塔结构健康监测中，还没有传感器布设的经验和标准可以借鉴。关于传感器的优化布设理论问题的研究与应用，目前应用较多的是基于随机振动的传感器布置优化理论，其有效性首先建立在试验模态质量的基础上，而传感器的类型、位置和数量对模态试验结果起决定作用，严重影响监测结果。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种用于输电塔力学特性测试的监测点选取方法，基于输电塔的受力点分析，并进行受力点的力学分析，筛选出一定数量的监测点，在确保监测结果准确性的前提下，实现了监测点数量和位置的恰当选择。

本发明的技术方案是按以下方式实现的：

一种用于输电塔力学特性测试的监测点选取方法，所述的方法包括：

s1：根据输电塔结构设计图，建立输电塔三维有限元模型；

s2：基于输电塔三维有限元模型，计算静力学参数，生成静力学监测点；

s3：基于输电塔三维有限元模型，计算动力学参数，生成动力学监测点；

s4：基于遗传算法求取最优解，从静力学监测点和动力学监测点中选取合适的振动监测点和应变监测点。

进一步的，步骤s1的具体实现方式为：

s11：根据输电塔结构图纸，运用ansys有限元软件，输入输电塔杆件坐标、长度、截面、密度、泊松比、弹性模量，建立输电塔三维有限元模型；

s12：根据输电塔受力的设计要求或实际测量值，确定有限元模型的边界条件。

进一步的，步骤s2的具体实现过程为：

s21：分别计算拉弯构件的强度、压弯构件的局部稳定性及构件刚度；

s22：判断步骤s21中的计算结果，是否超过设计值的60％，若是，则选为静力学监测点。

进一步的，步骤s21中，拉弯构件强度的计算公式为：

式中，n为轴力；m为轴心受力构件强度折减系数，对单肢连接角钢构件m＝0.85；an为构件净截面积；m为弯矩设计值；mm为受弯构件稳定强度折减系数，对单肢连接角钢构件mm＝1.0；wn为构件净截面抵抗矩；f1为拉弯构件材料的强度设计值。

进一步的，步骤s21中，压弯构件局部稳定性的计算公式为：

其中，n为轴力；φ为构件轴压稳定系数，对角钢构件按最小主惯性轴确定；mn为压杆稳定强度折减系数，对等边双角钢构件mn＝1.0；a为构件毛截面积；m为弯矩设计值；mm为受弯构件稳定强度折减系数，对单肢连接角钢构件mm＝1.0；w为构件毛截面抵抗矩。

进一步的，步骤s21中，对于构件刚度的计算，采用限制构件长细比的办法来保证构件的刚性，最大计算长细比λ不大于许用最大长细比[λ]，即：λ≤[λ]，其中，长细比λ按下式计算：λ＝l0/r≤[λ]，式中r为构件回转半径，l0为计算长度，许用长细比按规范要求取值。

进一步的，步骤s3的具体实现过程为：首先，在铁塔横担的导线悬挂点附加一定的导线参与质量；然后计算铁塔的动力特性，将计算结果与实测结果进行比较，根据两者的差异情况再对导线的参与质量进行调整，直至前几阶振动的计算和实测频率的总体误差最小；最后，对修改后的最终三维模型，进行模态分析，计算出结构前30阶模态参数，如果输电塔某阶振型出现局部振型，则该部位为动力学监测点。

进一步的，步骤s4的具体实现过程为：

s41：根据铁塔的前30阶模态，计算基于模态应变能的适应度fa，利用测点群体的适应度fa经过多次迭代，直至测点群体的适应度平均值均不再提高，剩余测点则为振动监测点；

s42：根据铁塔的前30阶模态，计算基于弯曲变形能的适应度fb，利用测点群体的适应度fb经过多次迭代，直至测点群体的适应度平均值均不再降低，剩余测点则为应变监测点。

进一步的，基于模态应变能的适应度fa为

式中，φ为振型，由有限元动力学计算得到；m为测点，包括静力学监测点和动力学监测点；krs为r点与第s点间的刚度影响系数；分别为第i，j振型的第r，s分量；r,s∈m表示r，s限于全部测点。

进一步的，基于弯曲变形能的适应度fb为

式中，ei为梁的弹性模量和截面惯性矩；第j曲率模态的第r分量(曲率模态由位移模态的二次中差商求得)；θ为全部非测点的集合，r∈θ表示r限于全部非测点。

本发明的有益效果是：

本申请充分考虑了输电塔实际的受力结构，结合受力点的分布和实际受力大小为三维模型的建立标准，计算结果和实际受力的测量结果最接近，提高了监测点选取的精准。

受力点的选取，既考虑了输电塔时时刻刻存在的静力学参数，对每个可能点的力学参数进行准确计算，实现与设计值的比较，对受力超过设计值60％的点重点监控，又包括了可能出现，也可能不出现的动力学参数，利用局部振型发现动力监测点，确保了监测点的全面覆盖，提升监测的准确性和全面性，能够及时发现输电塔的结构问题。

利用遗传算法的特性，对准确计算后的静态监测点和动态监测点，进行优化分析，一方面使得最后选择的监测点能最大化反映整个监测效果。另一方面，也可以使得监测点的数量进行有效的删减，实现监测点数量和质量的有机整合，提高选点的准确性，大大减少监测点布置的数量。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为输电塔传感器初始布置方案；

图3为传感器最终布置图。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式，下文的公开提供了具体实施方式用来实现本发明的装置及方法，使本领域的技术人员更清楚地理解如何实现本发明。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。应当理解，尽管本发明描述了其优选的具体实施方案，然而这些只是对实施方案的阐述，而不是限制本发明的范围。

如图1所示，本发明提供了一种用于输电塔力学特性测试的监测点选取方法，所述的方法包括以下步骤：

s1：根据输电塔结构设计图，建立输电塔三维有限元模型。

步骤s1的具体实现方式为：

首先，根据输电塔结构图纸，运用ansys有限元软件，输入输电塔杆件坐标、长度、截面、密度、泊松比、弹性模量，建立输电塔三维有限元模型。

其次，根据输电塔受力的设计要求或实际测量值，确定有限元模型的边界条件，即把导地线载荷施加到挂点位置，将四个塔脚的自由度全部约束，用于计算结构的变形和各单元的内力分量。

s2：基于输电塔三维有限元模型，计算静力学参数，生成静力学监测点。

步骤s2的原理为：分别计算拉弯构件的强度、压弯构件的局部稳定性及构件刚度；对计算结果进行分析，是否超过设计值的60％，若是，则选为静力学监测点。

拉弯构件强度的计算公式为：

式中，n为轴力；m为轴心受力构件强度折减系数，对单肢连接角钢构件m＝0.85；an为构件净截面积；m为弯矩设计值；mm为受弯构件稳定强度折减系数，对单肢连接角钢构件mm＝1.0；wn为构件净截面抵抗矩；f1为拉弯构件材料的强度设计值。

输电塔结构受荷载作用后，约有一半的杆件承受轴向压力和弯矩的共同作用，这些杆件可能存在失稳的可能性。输电塔整体稳定性的丧失正是由于各杆件局部失稳的积累，使结构转变为机构引起的。

压弯构件局部稳定性的计算公式为：

其中，n为轴力；φ为构件轴压稳定系数，对角钢构件按最小主惯性轴确定；mn为压杆稳定强度折减系数，对等边双角钢构件mn＝1.0；a为构件毛截面积；m为弯矩设计值；mm为受弯构件稳定强度折减系数，对单肢连接角钢构件mm＝1.0；w为构件毛截面抵抗矩。

对于构件刚度的计算，采用限制构件长细比的办法来保证构件的刚性，最大计算长细比λ不大于许用最大长细比[λ]，即：λ≤[λ]，其中，长细比λ按下式计算：λ＝l0/r≤[λ]，式中r为构件回转半径，l0为计算长度，许用长细比按规范要求取值。

s3：基于输电塔三维有限元模型，计算动力学参数，生成动力学监测点。其原理为：根据输电塔三维有限元模型，运用ansys软件，开展动力学计算，输出模态参数(固有频率、振型和阻尼)。

步骤s3的具体实现过程为：首先，在铁塔横担的导线悬挂点附加一定的导线参与质量；然后计算铁塔的动力特性，将计算结果与实测结果进行比较，根据两者的差异情况再对导线的参与质量进行调整，直至前几阶振动的计算和实测频率的总体误差最小；最后，对修改后的最终三维模型，进行模态分析，计算出结构前30阶模态参数，如果输电塔某阶振型出现局部振型，则该部位为动力学监测点。

其中，正常结构的低阶(前10阶)振型均是以整体平动、转动为主，高阶(10阶以后)振型可能会激发结构薄弱部位的局部振动，即出现局部振型。

通过以上分析计算，确定处输电塔传感器布置测点数m，测点数m包括静力学监测点和动力学监测点。

对于振动和应变测点的布置，在m个测点的基础上，进行了优化布设理论分析。由于遗传算法易于达到全局最优解，适于大型复杂结构的传感器最优测点布设问题。因此，对于输电塔健康监测系统振动和应变测点的布置，采用基于遗传算法的方法进行了优化布设理论分析。

s4：基于遗传算法求取最优解，从静力学监测点和动力学监测点中选取合适的振动监测点和应变监测点。

在应用遗传算法进行振动传感器优化布置的理论分析中，根据铁塔的前30阶模态，采用基于模态应变能的适应度，进行振动测点的优化。基于模态应变能的适应度定义为：

式中，φ为振型，由以上有限元动力学计算得到；m为测点，即通过以上输电塔静力学、动力学计算得到的传感器测点数量。则krs为r点与第s点间的刚度影响系数；分别为第i，j振型的第r，s分量；r,s∈m表示r，s限于全部测点。

适应度fa越大越好。m个测点之间存在相互影响和交互关系，该遗传算法就是利用测点群体的适应度fa经过多次迭代(遗传)，使测点群体的适应度fa的平均值不断提高，同时舍弃对适应度fa的取值增大产生不利影响的测点，直至测点群体的适应度平均值均不再提高,则迭代过程结束，剩余测点则为优选测点。

对铁塔的应变监测，同样根据铁塔的前30阶模态，进行应变监测断面的优化。但应变测点优化采用不同于振动测点的适应度。由于梁的最外层纤维的应变正比于梁、柱的曲率，因此运用曲率模态来寻找应变传感器的最优布点，采用基于弯曲变形能的适应度，即

式中，e,i为梁的弹性模量和截面惯性矩；第j曲率模态的第r分量(曲率模态由位移模态的二次中差商求得)；θ为全部非测点的集合，r∈θ表示r限于全部非测点。

适应度fb越小越优。m个测点之间存在相互影响和交互关系，该遗传算法就是利用测点群体的适应度fa经过多次迭代(遗传)，使测点群体的适应度fb的平均值不断降低，同时舍弃对适应度fb的取值减小产生不利影响的测点，直至测点群体的适应度平均值均不再降低,则迭代过程结束，剩余测点则为优选测点。

通过以上优化算法，将m个测点进一步精简为实际测点数量n。

如图2，以jt41干字型单回路转角塔为例，说明整个监测点选取过程。

该塔呼高30米，总高45米，水平档距为400m。该塔主肢由不同规格的q420和q345角钢连接而成，斜材由不同规格的q235角钢连接而成。导线型号为lgj-400/35，地线型号为gj-50。根据运行情况及结构，四个塔脚、塔头导地线悬挂处等为重点关注位置，经过有限元静力学、动力学计算传感器初步布置方案如图2所示，共44个测点。

通过测点优化布置的遗传算法以及相关经验，确定传感器布置最终方案如图3所示，剩下1、2、6、11、12、16、20、21、22、26、30、31、32、36、41、42、43、44共18个传感器测点，每个测点放置振动传感器和应变传感器。

振动传感器采用中国地震局工程力学研究所941b型拾振器，它属于动圈往复式拾振器，主要用于地面和结构物的脉动测量，高柔结构的超低频大幅度测量和微弱振动测量。应变传感器是将标准应变片组成桥式电路固化在弹性环中，通过磁力吸座可以方便地固定到需要测量动应力的结构任何部位。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施方式大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。