塔式结构刚度的快速识别方法及检测系统

摘要

一种塔式结构刚度的快速识别方法及检测系统，其特征是首先在被检测结构上设置一个采集数据的传感器；然后利用设置的传感器采集被测结构环境振动响应，并进行傅里叶变换即FFT分析，得到结构的自振基频ω1，0；最后将塔式结构实测自振基频ω1，0、被测结构的材料性能参数(重力密度γ、泊松比μ、几何尺寸、塔顶附加质量M以及塔身约束条件输入计算机中预先编制中的计算机程序中，由计算机自动进行变换并计算出塔式结构的抗弯刚度EI(z)和抗剪刚度G，为被测结构运营安全监测提供计算所需的依据。本发明仅需检测塔式结构的自振基频即可识别出其任一截面抗弯刚度和抗剪刚度的动态值，具有简单，快捷，易行的优点。

主权项

1.一种塔式结构刚度的快速识别方法，其特征是它包括以下步骤：第一步：在被检测结构上设置一个采集数据的传感器；第二步：利用设置的传感器采集被测结构环境振动响应，并进行傅里叶变换即FFT分析，得到结构的自振基频ω_1，0；第三步：将塔式结构实测自振基频ω_1，0、被测结构的材料性能参数(重力密度γ、泊松比μ、几何尺寸、塔顶附加质量M以及塔身约束条件输入以下公式，由计算机自动进行变换并计算出塔式结构的抗弯刚度EI(z)，为被测结构运营安全监测提供计算所需的依据：对于独塔结构：$\frac{1}{{{\omega }_{\mathrm{1,0}}}^2}=\frac{1}{{\omega }_{11}^2}+\frac{1}{{\omega }_{12}^2}+\frac{1}{{\omega }_{13}^2}+\frac{1}{{\omega }_{14}^2}$其中：${\omega }_{11}^2=\frac{36E{\int }_0^{l}I\left(z\right){(l-z)}^2\mathrm{dz}}{\frac{r}{g}{\int }_0^{l}A\left(z\right)(3z^{2}l-z^3)\mathrm{dz}},$${\omega }_{12}^2=\frac{36E{\int }_0^{l}I\left(z\right){(l-z)}^2\mathrm{dz}}{4{\mathrm{Ml}}^6}$${\omega }_{13}^2=\frac{k^{\prime }G{\int }_0^{l}A\left(z\right){(\frac{{\pi }^4}{4l^2}-\frac{{\pi }^4{z}^2}{8l^4}+\frac{{\pi }^6{z}^4}{64l^6})}^2\mathrm{dz}}{\frac{r}{g}{\int }_0^{l}A\left(z\right)(\frac{\mathrm{\pi z}}{2l}-\frac{{\pi }^3{z}^3}{24l^3})\mathrm{dz}},$${\omega }_{14}^2=\frac{k^{\prime }G{\int }_0^{l}A\left(z\right){(\frac{{\pi }^4}{4l^2}-\frac{{\pi }^4{z}^2}{8l^4}+\frac{{\pi }^6{z}^4}{64l^6})}^2\mathrm{dz}}{4M}$对于顶部受到线缆约束的塔式结构，假设线缆约束刚度为k₁：$\frac{1}{{{\omega }_{\mathrm{1,0}}}^2}=\frac{1}{{\omega }_{11}^2}+\frac{1}{{\omega }_{12}^2}+\frac{1}{{\omega }_{13}^2}+\frac{1}{{\omega }_{14}^2}+\frac{1}{{\omega }_{15}^2}$${\omega }_{11}^2=\frac{k_1}{\frac{r}{g}{\int }_0^{l}A\left(z\right){\left(\frac{z}{l}\right)}^2\mathrm{dz}}$${\omega }_{12}^2=\frac{4{\pi }^{2}E{\int }_0^{l}I\left(z\right){(-\sin \frac{\pi }{l}z+2\sin \frac{2\pi }{l}z)}^2\mathrm{dz}}{\frac{{\mathrm{rl}}^4}{g}{\int }_0^{l}A\left(z\right){(2\sin \frac{\pi }{l}z-\sin \frac{2\pi }{l}z)}^2\mathrm{dz}}$${\omega }_{13}^2=\frac{k^{\prime }G{\int }_0^l{(-\frac{\pi }{l}\sin \frac{\pi }{l}z+\frac{2\pi }{l}\sin \frac{2\pi }{l}z)}^{2}A\left(z\right)\mathrm{dz}}{\frac{r}{g}{\int }_0^l{(\cos \frac{\text{π}}{l}z-\cos \frac{2\pi }{l}z)}^{2}A\left(z\right)\mathrm{dz}}$${\omega }_{14}^2=\frac{k_1}{M}$${\omega }_{15}^2=\frac{k^{\prime }G{\int }_0^{l}A\left(z\right){(-\frac{\pi }{l}\sin \frac{\pi }{l}z+\frac{2\pi }{l}\sin \frac{2\pi }{l}z)}^2\mathrm{dz}}{4M}$对于塔顶和塔身均受约束的塔式结构，假设塔身距离塔底z₁处受到的弹性约束刚度为k₂：$\frac{1}{{{\omega }_{\mathrm{1,0}}}^2}=\frac{1}{{\omega }_{11}^2}+\frac{1}{{\omega }_{12}^2}+\frac{1}{{\omega }_{13}^2}+\frac{1}{{\omega }_{14}^2}+\frac{1}{{\omega }_{15}^2}$${\omega }_{11}^2=\frac{k_1{C}_1^2}{\frac{r}{g}{\int }_0^{l}A\left(z\right){\left(\frac{z}{l}\right)}^2\mathrm{dz}}+\frac{k_2{C}_2^2}{\frac{r}{g}{\int }_0^{l}A\left(z\right){\left(\frac{z}{z_1}\right)}^2\mathrm{dz}}$${\omega }_{12}^2=\frac{4{\pi }^{4}E{\int }_0^{l}I\left(z\right){(\sin \frac{\pi }{l}z-2\sin \frac{2\pi }{l}z)}^2\mathrm{dz}}{\frac{{\mathrm{rl}}^4}{g}{\int }_0^{l}A\left(z\right){(2\sin \frac{\pi }{l}z-\sin \frac{2\pi }{l}z)}^2\mathrm{dz}}$${\omega }_{13}^2=\frac{k^{\prime }G{\int }_0^l{(-\frac{\pi }{l}\sin \frac{\pi }{l}z+\frac{2\pi }{l}\sin \frac{2\pi }{l}z)}^{2}A\left(z\right)\mathrm{dz}}{\frac{r}{g}{\int }_0^l{(\cos \frac{\text{π}}{l}z-\cos \frac{2\pi }{l}z)}^{2}A\left(z\right)\mathrm{dz}}$${\omega }_{14}^2=\frac{k_1}{M}$${\omega }_{15}^2=\frac{k^{\prime }G{\int }_0^{l}A\left(z\right){(-\frac{\pi }{l}\sin \frac{\pi }{l}z+\frac{2\pi }{l}\sin \frac{2\pi }{l}z)}^2\mathrm{dz}}{4M}$式中E为被测结构的弹性模量，将它乘以任一高度截面的惯性矩I(z)即为抗弯刚度，G为被测结构的剪切刚度，μ为材料的泊松比，对于钢结构塔μ即为钢的泊松比，对于钢筋混凝土塔μ即为混凝土的泊松比，r为被测结构的重量密度，g为重力加速度，1/k′为剪切应力的分布系数，对于矩形截面k′＝5/6，对于圆形截面k′＝9/10，A(z)为距离塔底z处的塔身截面面积，l为塔高。