近年来, 我国科学技术进步和土木建筑快速发展, 兴建了大量的高层建筑、电视塔等高耸结构物, 并向高强、轻质的方向发展, 结构的刚度和阻尼在不断的下降^[1,2]。从20世纪90年代开始, 国内学者已经对高耸结构的风致振动进行研究^[3,4]。西新工程中央台藏语节目青海覆盖工程包含自立式塔式和拉线式桅式试验台, 试验台工程作为一类重要的轻质高耸结构, 在动力特性方面其低阶振动频率很低, 属于风敏感结构^[5]。若设计或施工中存在不足, 随着结构的使用和关键构件、连接节点的损伤, 在风荷载作用下结构的可靠度及健康状况可能下降, 可能导致结构使用功能的退化, 更可能在某次风灾害性荷载中发生突然倒塌, 带来人员伤亡及经济损失。此外, 我国较早期的发射塔设计使用年限为25~30年, 已经有大量的钢塔接近甚至超出了当时的设计使用年限, 结构的安全可靠性已经有了较大程度的降低。鉴于西新工程试验台工程的重要性和较高的安全要求, 实时监测了解这类结构在风荷载作用下的内力变化和动态特性, 将对结构的安全评估起着非常重要的作用。

　　 本文在青海省尖扎中波台自立发射塔 (图1) 结构上布置了结构健康监测系统^[6], 进行运营阶段结构健康监测, 自立发射塔高100m。运营阶段的监测项包含风速风向监测、应力监测、加速度动力响应监测, 仪器均已调试完成, 正常使用。重点实时监测塔底锚固区杆件和塔身杆件的复杂受力情况和结构本身的动力响应, 通过对监测数据进行处理与分析, 识别尖扎中波台自立发射塔的低阶振动频率。

　　 健康监测系统主要包含:1) 传感系统:通过传感器将待测的物理量转变为电信号;2) 数据采集和分析系统:一般安装于待测结构物中, 采集传感系统数据并进行初步处理;3) 数据传输及存储系统:将采集并处理过的数据传输到监控中心;4) 数据诊断及评估系统:利用具备诊断功能的软硬件对接收到的数据进行诊断, 判断损伤的发生位置、程度, 对结构健康状况做出评估, 如发现异常, 发出报警信息^[7]。

　　 监测系统实时捕捉信号塔受力振动信息及风荷载信息, 监测子站具备数据存储、查询及数据分析结果的储存与显示功能。在台风或其他灾害性气候期间, 可以对结构响应的异常信号预警, 并在灾后离线对信号塔整体健康状况及关键构件、节点的可靠性进行评价, 同时指导相应的维护及加固工作。此外, 监测系统将实现数据库的远程访问 (主要指标及结果的实时上传) 并支持在数据终端访问不同地域的监测系统, 使得监控中心总部可以远程掌握位于不同地域塔架的当前状态, 以便在结构发生异常时迅速响应而避免灾害进一步扩大。软硬件集成后可以很容易地将该系统应用于类似通信塔。

　　 图2 (a) 展示了青海省尖扎中波台自立发射塔的监测系统软件界面^[8];图2 (b) 为安装在塔顶的AIOT-WS/WD风速风向仪, 用以监测塔顶的风速风向;图2 (c) 为焊接安装在钢构件上的振弦式应变计, 型号为AIOT-A01BM103, 用以监测关键构件的应力变化;图2 (d) 为加速度计, 用以监测全塔的水平X, Y向的加速度动力响应。

　　 高耸结构对风荷载比较敏感, 不同的激励将对结构产生不同的结构响应, 所以研究高耸结构的动力特性离不开对结构周围的风场 (包括风速、风向和风压) 的监测^[5]。由于受现场安装条件的限制, 未安装风压计, 在接近塔顶位置安装了风速风向仪, 测点布置见图3。

　　 如图4所示, 在自立发射塔底部支座锚固区主构件上布置4个应变计, 在塔身上布置16个应变计。

　　 由于100m发射塔结构沿水平向对称, 并且沿高度方向截面变化较为均匀, 将发射塔沿高度方向划分为3个部分, 在上部和下部布设X, Y向加速度传感器, 共4个单向加速度传感器, 上部加速度测点编号为JSD1, 下部加速度测点编号为JSD2, 见图3。

　　 健康监测系统对运营阶段的尖扎中波台自立发射塔进行实时监测。图5和图6列出了2017年11月12日和12月27日塔顶位置环境风向和风速情况。图5列出了这两天的10min平均风速风向分布图, 这两天的风向相近, 符合当地季节风向统计。图6列出了这两天10min平均风速和风向时程图, 这两天10min平均最大风速为2.4m/s。

　　 图4 塔底部和塔身应力测点布置图

　　 表1和表2列出了监测尖扎中波台自立发射塔获得的底部支座锚固区和塔身的应力变化数据。从表1, 2可以看出, 塔底部支座锚固区应力变化值较大, 塔身应力变化值较小, 这是因为自立发射塔主要靠自身稳定, 塔基比较大, 底部支座锚固区关键构件受力较大。总体来看, 塔底部支座锚固区和塔身的应力变化值均较小, 这是因为监测期间的风速较小, 自立发射塔所受的风荷载小。

　　 通过MATLAB编程对尖扎中波台自立发射塔加速度计测得的数据进行处理^[9]。由于噪声, 测量数据中会出现毛刺, 对尖扎中波台自立发射塔加速度时程进行滤波处理, 图7和图8为滤波后的X, Y向加速度时程曲线。对所获得的加速度数据时程曲线分别进行频谱分析, 图9为计算得出的尖扎中波台自立发射塔加速度功率谱密度图。

　　 无论是一个测点信号的自功率谱还是两个测点信号的互功率谱, 在结构物固有频率的位置都会出现陡峭的峰值, 分析所有测点的功率谱, 固有频率的峰点将出现在所有谱或者至少大多数谱的记录信号中。在固有频率处, 两测点输出信号之间的相干函数将接近1, 即相位角在0°附近或接近180°。由图9可以看到, 尖扎中波台自立发射塔低阶的振动频率被清楚地识别出来, 用加速度响应数据进行模态识别的测点JSD1前3阶频率见表3。

　　 根据《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) 附录F.1.1规定的一般高耸结构的基本自振周期, 钢结构可取式 (1) 计算的较大值:

　　 式中:T₁为结构的基本自振周期;H为结构的高度。

　　 从识别结果可见, 监测分析得到结构的自振周期与根据式 (1) 计算得出的频率结果相近 (结果对比见表4) , 且水平两主轴方向动力特性相似, 符合《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) 中3.5.3条的规定:结构在两个主轴方向的动力特性宜相近。说明健康监测系统可以用于类似通信塔的监测。

　　 本文以使用阶段的青海省尖扎中波台自立发射塔为研究对象, 介绍了由传感器和监测软件组成的健康监测系统, 并通过对监测到的应力、塔顶处的风速风向和结构本身的动力响应进行分析, 得出以下结论:

　　 (1) 自立发射塔底部支座锚固区和塔身应力变化值均较小, 底部支座锚固区比塔身应力变化稍大。

　　 (2) 频率的实测结果与《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) 中由结构的基本自振周期经验公式计算出的频率结果接近, 且符合《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) 中结构在水平两主轴方向动力特性宜相近的规定。

　　 (3) 基于尖扎中波台自立发射塔的监测系统可用于类似通信塔的结构健康监测。