摘要：塔式起重机结构健康监测技术（Structural Health Monitoring）起源之初是对塔式起重机结构进行载荷监测。随着塔式起重机结构的日益向大型化、复杂化和智能化，塔式起重机结构健康监测技术的内容逐渐丰富起来，不再是单纯的载荷监测，而是向塔式起重机结构损伤检测、损伤定位、塔式起重机结构剩余寿命预测等方面发展。塔式起重机结构健康监测技术发展至今已成为一个多领域、跨学科的综合性技术，涉及到塔式起重机结构动力学、材料学、传感技术、测试技术、信号采集与处理技术、计算机技术、优化设计等多学科的知识。
关键词：塔式起重机；结构损伤；识别方法
塔式起重机结构健康监测是指应用无损检测技术和分析手段对包括塔式起重机结构各种响应在内的塔式起重机结构特性进行检测和分析，实现对塔式起重机结构整体行为的实时监控，从而识别塔式起重机结构是否发生损伤、确定损伤位置和损伤程度、评估塔式起重机结构的使用寿命，为塔式起重机结构在突发事件下或塔式起重机结构使用状况严重异常时触发预警信号，为塔式起重机结构的维修、养护与管理决策提供依据和指导。Doebling和Rytter等将塔式起重机结构损伤状态识别分为5个层次:1）确定塔式起重机结构是否发生损伤；2）确定损伤位置；3）确定损伤类型；4）评估损伤程度；5）预计塔式起重机结构的剩余使用寿命。损伤识别是塔式起重机结构健康监测的基础，长期以来都是一个非常活跃的研究领域，很多研究都致力于探索损伤识别新方法[1-2]。
1基于振动特性的塔式起重机结构损伤识别方法
系统的特性可以用物理参数（如刚度、质量和阻尼）和模态参数（模态频率和模态阵型等）进行描述。物理参数是系统特性的直观表述，可以直接用于评价系统的特性。模态参数也是系统的一个非常重要的特性，反映塔式起重机结构的质量和刚度分布状态，如果塔式起重机结构模态参数发生变化，也能间接反映塔式起重机结构的物理特性的变化。基于振动特性的系统损伤识别方法是一种全局损伤识别方法，其基本思想是模态参数是系统物理特性的函数，物理特性的改变与系统动力响应的改变间是相关联的，塔式起重机结构损伤导致塔式起重机结构的动态特性，如固有频率和振型发生变化，可以利用这种关联来识别损伤，属于塔式起重机结构动力学的反问题。在损伤识别过程中，首先识别振动模态参数，再由模态参数识别系统的物理参数，最后选用合理的损伤识别方法比较损伤前后系统的特性，可以定性和定量地估计系统的损伤。
1.1基于模型修正的塔式起重机结构损伤识别方法
模型修正方法是以实测模态参数或者未损伤塔式起重机结构的有限元模型或试验模型作为参考基，寻找满足塔式起重机结构动力学方程、正交条件、对称矩阵条件和相联条件，且与参考基最接近的计算模型（质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵）或试验模型。通过比较两者之间的差别，可以精确地进行损伤定位。模型修正方法可以分为两大类:一是修正塔式起重机结构的计算模型，即利用试验模态分析结果（模态参数，如频率、振型）修改理论有限元模型的刚度、质量等参数，在保证模态参数自身精度的前提下，使修正后有限元模型的振动特性参数趋于试验值，也称动力模型修正；二是直接修正塔式起重机结构的设计参数（即塔式起重机结构的几何特性和物理特性参数）。模型修正技术可以看作是一个有约束的优化问题，基于此的损伤诊断方法可以依据要极小化的目标函数的选择，施加的约束条件的不同，以及相应各异的数值求解方法，可以产生许多不同的损伤诊断方案。
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2基于信息融合技术的塔式起重机结构损伤识别方法
塔式起重机结构的损伤导致塔式起重机结构动力特性的变化，在塔式起重机结构损伤前后分别测得塔式起重机结构模态参数值，利用确定性的损伤指标方法能有效地识别塔式起重机结构的损伤。然而，实际工程中存在着许多不确定性因素，例如温度变化、力振幅的变化、动力测试噪声、模型误差等等[3]。所有这些因素构成了动力损伤中不确定性，如何利用不确定性的方法来识别损伤是学者们关心的问题。
多信息融合技术（Multi-Source Information Fusion，MSIF）是将不同来源、不同模式、不同媒质、不同时间的信息进行有机结合，最后得到对被感知对象的确切描述。作为一交叉学科和技术，涉及到模式识别、估计推断理论，决策论、优化设计等。最早出现在20世纪70年代，主要应用于军事领域，到20世纪80年代发展成为一门成熟技术。最近十几年，随着计算机技术、信号处理技术和传感器技术的发展，多信息融合技术发展迅速，在许多领域都得到广泛应用，也成为大型复杂塔式起重机结构健康监测和损伤诊断领域研究的热点。多信息融合技术根据融合对象或过程可分为三个层次:数据层融合（Data Level Fusion），特征层融合（Feature Level Fusion），和决策层融合（Decision Level Fusion）。应用较多的算法有加权平均、卡尔曼滤波、贝叶斯估计、统计决策理论、聚类分析法和神经网络法等。
3 基于信号处理技术的塔式起重机结构损伤识别方法
基于信号处理的损伤检测方法不需识别塔式起重机结构的动力参数，而是通过分析测量信号，从中提取反映塔式起重机结构本身特性的某种特征参数，达到识别损伤的目的。在基于试验信号处理的损伤检测方法中，用于信号处理的方法是多种多样的，但其根本目的都是要提取足够多的响应信息和追求足够高的信号损伤敏感度[4]。目前，常用的信号处理方法有三种:时域法、频域法、时一频域法。
4 塔式起重机结构损伤识别方法存在的问题
塔式起重机结构损伤识别方法是目前国内外学术界和工程界关注的热点。无论在理论研究还是在实际应用研究中都取得了很大的进步，但仍然存在很多问题需要进一步研究和解决。主要表现在以下几个方面:（1）现有的基于振动特性的塔式起重机结构损伤识别方法通常只适用于简单塔式起重机结构，由于实际工程塔式起重机结构的复杂性及测试的困难，常见的理论方法很难用于实际工程塔式起重机结构，特别是大型复杂塔式起重机结构；（2）健康监测系统需要传感器数目多。硬件系统庞大，难以长期稳定可靠地运行，系统正常运行所需的维护保障费用高；（3）诊断方法对塔式起重机结构的理论模型依赖性较强。然而，实际塔式起重机结构的真实模型很难确定，通常基于频率等整体参数的模型修正方法对于损伤识别的敏感性较差，无法用于在线监测。（4）塔式起重机结构测试噪一声的存在不可避免的。损伤识别过程的鲁棒性和不稳定性使得塔式起重机结构损伤很难应用于实际塔式起重机结构的损伤诊断。
参考文献
[1]谢长宇,尹苟保.大型塔机安全监控系统的研制[J].建设机械技术与管理.2001,14(5):17-18.
[2]黄洪钟,姚新胜.塔式起重机安全性研究与展望[J].安全与环境学报.2001,l(3):1-5.
[3]张培华.塔式起重机的常规检测与探索[J].北京建筑工程学院学报.2004,20(3):39-41.
[4]杨智春,于哲峰.结构健康监测中的损伤检测技术研究进展[J].力学进展.2004,34(2):215-220.
论文作者:袁协鑫
论文发表刊物:《基层建设》2016年32期
论文发表时间:2017/1/18
标签：损伤论文; 结构论文; 塔式起重机论文; 方法论文; 参数论文; 特性论文; 模型论文; 《基层建设》2016年32期论文;