基于磁流變阻尼器的結構損傷模擬試驗研究

林友新, 賈子光， 任 亮， 李宏男， 成明濤, 張 鵬

(1. 廣東電網公司 電力科學研究院, 廣州 510080; 2. 大連理工大學 建設工程學部, 大連 116024)

結構健康監測及損傷識別是當前學術界和工程界研究的熱點問題之一。為保證結構在服役期內安全使用，防止結構突然失效，應及時對結構的健康狀態做出判斷。目前，已有的各種損傷識別方法多以振動測試為基礎，通過分析比較結構損傷前后動力特性的變化來實現。這種方法需要準確判斷損傷發生的時間，在此基礎上進行結構模態參數識別[1-2]。

目前大多數研究成果停留在理論研究層面，試驗驗證較少。原因在于，結構健康診斷與損傷識別的驗證性試驗需要在試驗前對構件進行破損處理，即通過削減構件截面面積減小構件剛度，而試驗構件破損后不可復原，從而不便于進行重復性試驗，使結構損傷識別試驗周期長、費用高，并且少量破損構件的試驗數據離散性大，難以對理論方法的正確性進行充分支持[3]。另一方面，為了在結構動力模型試驗中模擬構件發生突然損傷，進而判斷損傷時間，需要在結構動力加載過程中改變構件的剛度。而如果通過削弱截面的方式減小剛度，則必然與結構構件接觸，改變結構的受力狀態。現在尚沒有一種能夠在模型試驗動力加載過程中，瞬時改變構件剛度的有效方法。

根據上述問題，本文提出一種利用磁流變阻尼器模擬受壓構件剛度折減的試驗方法。將磁流變阻尼器通過連接鉸安裝在受壓構件內，通過改變磁流變阻尼器通電電流來調整受壓構件的抗壓剛度的大小。在不替換試驗構件的情況下，該方法可實現多種損傷工況的模擬。在輸電塔桁架動力模型試驗中，利用該方法進行了受壓構件剛度瞬時折減的嘗試性實驗,結合短時傅里葉變換等信號處理方法，對損傷時間進行判別，驗證了該方法的有效性。

1 裝有磁流變阻尼器的受壓構件

1.1 磁流變阻尼器簡介

磁流變阻尼器是一種可以通過對輸入電流的調節，控制其阻尼力大小的裝置，且具有體積小、響應快等優點，目前已應用于斜拉橋、海洋平臺等結構的隔振、減震控制中。有關研究表明，磁流變液在不同應用電流作用下壓縮模量不同，電流增加引起的磁場增強，會使其壓縮彈性模量顯著增大[4-8]。

利用磁流變阻尼器彈性模量隨通電電流改變這一特點，將磁流變阻尼器以一定的連接方式安裝在受壓構件內，即可通過改變電流的方式，人為控制受壓構件的整體抗壓剛度。且磁流變阻尼器具有響應快的特點，可以準確控制其通電電流變化的時間，進而模擬抗壓剛度在指定時間發生突變。

1.2 磁流變阻尼器安裝方式

圖1為裝有磁流變阻尼器受壓桿件的示意圖。假定原始受壓桿件的總長度為L，截面面積為A。按照磁流變阻尼器的形狀，將原始受壓構件的中間部分切除，并在切除部分的兩端設置連接鉸。將磁流變阻尼器裝入切除部分，并固定在兩個連接鉸之間。這樣，在構件受壓力作用時，磁流變阻尼器不會產生由于安裝偏心引起的彎矩作用。

圖1 磁流變阻尼器安裝

1.3 裝有磁流變阻尼器受壓構件的整體彈性模量

圖2 裝有磁流變阻尼器受壓構件的幾何參數

受壓構件的總長度為L，截面面積為A，如圖2所示。原始材料彈性模量為Es，軸向壓力為F，磁流變阻尼器的截面面積、彈性模量和長度分別為Amd、Emd和Lmd；磁流變阻尼器所在斷面的原始構件截面面積為As，磁流變阻尼器以上部分和以下部分構件的長度分別為L1和L2，則該構件的幾何尺寸滿足下式

L=L1+Lmd+L2

(1)

A=Amd+As

(2)

在軸向壓力F的作用下，設裝有磁流變阻尼器部分構件的變形為Δmd，磁流變阻尼器以上部分構件和以下部分構件的變形分別為Δ1和Δ2，構件的總變形為Δ，則構件變形滿足下式

Δ=Δ1+Δmd+Δ2

(3)

根據材料力學基本原理[9]，可得

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

將式(8)和式(9)代入式(7)，可得:

(10)

將式(1)～式(6)代入式(10)，可得:

(11)

將式(11)整理，可得:

(12)

式(12)可用于計算裝有磁流變阻尼器的構件的整體彈性模量，定義αE為整體彈性模量系數，則

(13)

(14)

(15)

因此，式(13)可以改寫為

(16)

2 受壓構件剛度折減試驗研究

2.1 試驗介紹

本試驗利用輸電塔空間桁架截斷模型，模擬其在承受動力荷載作用過程中，某關鍵受壓構件發生瞬時剛度折減，通過對相關物理量的實時采集，結合信號處理方法，判定發生剛度折減的損傷時間。該模型系角鋼輸電塔結構底部兩層的截斷模型，在模型頂部增加配重以模擬截斷部分以上的質量。該模型整體為格構式結構，各構件主要承受軸心壓力作用。因此可以使用本文提出的方法進行損傷模擬,試驗模型及數據采集系統如圖3所示。

圖3 試驗模型及數據采集系統

該試驗采用的加載裝置為江蘇聯能公司生產的JZK-20型激振器及配套的功率放大器、信號發生器。通過調節信號發生器，可使激振器產生幅值為20 kgf的正弦信號、白噪聲信號等。激振器通過自制的活動支架固定在反力墻上，在每個激振器觸頭前安裝力傳感器后與結構固定。激振器、力傳感器的安裝如圖4所示。

圖4 激振器及力傳感器

2.2 磁流變阻尼器的安裝

將桁架模型的一根主要受壓桿件，按照磁流變阻尼器的長度截斷，在截斷端頭部分焊接栓孔，再將磁流變阻尼器通過該栓孔與構件相連。安裝時使磁流變阻尼器的中心通過該桿件截面中心。磁流變阻尼器的安裝如圖5所示。

圖5 磁流變阻尼器的安裝

2.3 傳感器及數據采集

對于軸心受壓構件，其應力或應變是反應其健康狀況的最直接的參數。本試驗采用光纖光柵應變傳感器，對上述裝有磁流變阻尼器的受壓構件進行應變監測。光纖光柵傳感器具有靈敏度高，抗電磁干擾等優點[10-11]。在角鋼表面焊接傳感器支座，并將傳感器通過螺栓連接固定在支座上，這種方式不破壞原結果，且確保了光纖光柵傳感器與結構的一致變形。為了驗證該試驗方法，在磁流變阻尼器所在的模型平面布置了5個光纖光柵應變傳感器，測試該構件在損傷模擬過程中的動態應變響應。其中，B1、B2、B3三個傳感器用于測量豎桿(對應輸電塔模型主材)的應變，H1用于測量橫桿(對應輸電塔模型橫材)的應變，X1用于測量斜桿(對應輸電塔模型斜材)的應變。光纖光柵傳感器的安裝方法及測點布置如圖6、7所示。此外還布設了一個光纖光柵傳感器以進行溫度補償。但由于結構損傷是一種瞬態變化，溫度變化頻率較低，損傷信號的影響并不明顯。

圖6 光纖光柵傳感器安裝方法

圖7 光纖光柵傳感器測點位置

光纖光柵傳感器的數據采集系統為美國MOI公司生產的光纖光柵解調儀SM230，它可以同時解調16個通道的光信號，每個通道可以串接多個傳感器，實現結構的多點測量。采樣頻率可達到250 Hz，能夠滿足土木結構動態測量的要求。

2.4 加載及損傷模擬

為獲得較大的響應信號，首先利用激振器對結構進行白噪聲掃頻，獲得結構的基頻，約為15.4 Hz。然后將激振器的信號發生器調頻至15 Hz，輸出正弦波，便可獲得較大的結構響應。在結構加載過程中，利用磁流變阻尼器的電流控制器，調節通電電流，即可改變構件抗壓剛度，模擬構件剛度突變。每次試驗加載時間約為40 s，在第20 s附近調節電流控制器，使構件發生剛度折減。加載過程中，實時采集各個傳感器的應變響應數據，而后對該數據進行分析，判定損傷時間。

3 試驗數據及分析

3.1 原始應變響應時程

圖8列出了加載過程中采集的各個光纖光柵傳感器的原始應變時程數據,為便于觀察，截取了加載過程中20 s附近的時程。對于傳感器B1、B2所在測點，由于距離磁流變阻尼器較近，其在磁流變阻尼器電流調整前后，可以看出由于剛度突變造成的應變幅值發生變化。在B1、B2兩個時程曲線中，可以粗略判斷應變幅值發生改變的時間接近20 s末，但仍無法判斷損傷發生的具體時間。

圖8 光纖光柵傳感器應變響應時程

而對于B3、H1、X1三個應變測點，由于距離磁流變阻尼器較遠，在結構動態加載過程中，對該位置的損傷極不敏感，根據這三條曲線已經無法分別出剛度折減前后應變響應幅值的變化并判別損傷發生的時間。

3.2 基于短時傅里葉變換的損傷識別

3.2.1 短時傅里葉變換

在傳統的信號處理中，傅里葉變換構架起了信號時域和頻域的橋梁。然而傅里葉變換只是一種信號的整體變換，只能了解信號在時域或者頻域的全局特性，并不能表達有關頻率成分的時間局部化信息。為了彌補傅里葉分析這一不足,針對非平穩信號, 引出了時頻分析方法[12-14]。

短時傅里葉變換(STFT，short-time Fourier transform)屬于線性時頻分析中的一種[12,15-16]，其本質是加窗傅里葉變換：用窗函數去截取原始時域信號，對截取的局部信號作傅里葉變換，即得到在t時刻該段信號的頻譜分布。不斷地移動t，即不斷移動窗函數的中心位置，即可得到不同時刻的頻譜分布，而這些傅里葉變換的合集即是短時傅里葉變換。

當結構發生損傷，其頻率和剛度會發生改變，在結構響應中會出現不連續的奇異點。利用短時傅里葉變換，可以根據頻率隨時間的變化，判別損傷發生的時間。

3.2.2 基于短時傅里葉變換的損傷時間定位

短時傅里葉變換的程序代碼基于LabView軟件平臺編寫，利用STFT Spectrogram模塊實現短時傅里葉變換，進而分析信號在時-頻平面上的能量分布情況。圖9(a)～圖9(c)分別給出了傳感器B1的應變響應時程曲線，短時傅里葉變換的能量分布，以及16Hz頻率成分的能量密度隨時間的變化關系。在短時傅里葉變換中，滑動窗口的采樣點數為32，頻率區間為默認的512 Hz，窗函數類型選用漢寧窗。從能量分布圖9(b)可以看出，構件發生損傷前后，即調節磁流變阻尼器通電電流前后，結構應變響應的頻率成分發生了明顯的變化。損傷發生后，在14～16 Hz范圍內，能量顯著增大，據此可以判斷結構發生損傷。單獨提取16 Hz的頻率成分，如圖9(c)，考察該頻率成分在時域上的變化。從中可以看出，該頻率成分的能量在損傷前后發生突變，從該信號的拐點，即可準確判別出損傷發生的時間，為18.4 s。

圖9 B1應變響應時程曲線及短時傅里葉變換

對B1、B2、B3、H1、X1等全部傳感器的應變響應數據分別做短時傅里葉變換，并提取16Hz的頻率成分，如圖10所示。可以看出，B1、B2、B3測點的該頻率成分的能量變化曲線可以清晰的分辨出信號突變點，用來準確判斷結構發生損傷的時間。而H1、X1測點由于距離剛度折減位置較遠，單純由其應變響應時程信號(圖8)已無法分辨出結構是否發生損傷。而從圖10中H1、X1測點的短時傅里葉變換結果，則能夠看出16 Hz頻率成分的能量變化，據此也可以粗略判斷損傷發生的時間。總體來看，各應變響應信號的短時傅里葉變換結果趨勢基本一致，均可用于確定結構損傷時間。

圖10 各傳感器16 Hz頻率成分的能量隨時間的變化

4 結 論

本文提出了一種利用磁流變阻尼器模擬受壓構件剛度折減的試驗方法，并對其進行了試驗驗證。在結構動力加載過程中，調整磁流變阻尼器的通電電流，來模擬受壓構件的剛度瞬時折減。結合短時傅里葉變換的方法，對損傷時間進行定位。根據試驗結果可以得出以下結論：

(1) 調整磁流變阻尼器的通電電流，可以改變其彈性模量，進而改變構件的整體抗壓剛度。

(2) 磁流變阻尼器具有響應快的特點，可用于模擬結構動力加載過程中的剛度瞬時折減，并準確控制構件的損傷時間。

(3) 原始時域信號經過短時傅里葉變換，能夠準確判斷結構發生損傷的時間。

(4) 根據試驗要求，設計磁流變阻尼器的長度及截面面積，即可改變構件的整體彈性模量系數αE對于通電電流i的靈敏度。此問題有待后續試驗研究。

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