基于无线传感器的斜拉桥模型固有振动耦合分析

摘要

斜拉桥结构已经成为当今日常交通基础设施中不可缺少的桥梁形式,它不但具有跨度大、造型美观等特点,而且还具有复杂的动力特性,而斜拉桥在环境作用下的安全问题往往又是由复杂的动力特性所决定的,而在国内外都出现过斜拉桥的倒塌事故,大多数都是因为结构构件之间的耦合作用所导致的。
　　目前大多数的研究都是集中在斜拉索、桥塔与桥面之间的关系,去分析斜拉桥结构的耦合情况,方法大多是应用有限元分析,数值分析及缩尺模型振动实验,而很少研究自身结构的相关构件对斜拉桥固有振动特性的影响,而基于无线传感器的斜拉桥动力特性分析研究则更少。无线传感器是一种新颖的监测手段,本文不但通过有限元分析方法,而且利用了基于无线传感器这一新颖测试手段的结构模态实验方法,对斜拉桥模型相关构件对其固有振动特性及耦合现象的影响进行了系统地分析研究,这种借用先进的无线传感器和模态分析技术来分析结构的动力特性,不但省时,操作简单,经济,而且不需要大量的编程和计算,还能保持很高的精度,对实际工程的应用有一定的参考意义。本文具体的研究工作及已取得的研究成果如下:
　　本文以实验室斜拉桥模型为基础,首先,根据三维有限元软件模态分析功能对其固有振动耦合作用进行分析研究,通过调整该模型桥面配重、桥面刚度及边界约束条件,分析了斜拉桥模型各阶模态参数的变化情况,利用模态参数变化规律找出其耦合特性原因,研究发现,通过调整斜拉桥模型相关构件的配重及刚度的方法,不但能确定该模型的耦合区域,而且得到了调整桥面配重大小,对减小斜拉桥模型该耦合现象是非常有效,并且还不会带来其低阶模态下的耦合。其次,推导了基于加速度信号的IbrahimTimeDomain(ITD)模态识别算法,通过一个简支梁有限元模型和在环境激励下的基于有线传感器的斜拉桥模型模态实验,验证了基于加速度信号的ITD法的识别精度相比于传统基于位移信号的ITD方法有较大提高。最后,以本课题组自主研发的加速度传感器及监控平台的应用为基础,通过调整斜拉桥模型相关构件配重进行模态实验,并结合经改进的ITD方法,对该模型的固有振动特性及耦合作用进行分析,研究发现在改变桥面配重的情况下,基于无线传感器的斜拉桥模型固有振动耦合分析与三维有限元分析有类似的结论。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究背景和意义

1.2 斜拉桥振动耦合性能研究现状

1.3 结构模态参数识别方法简介

1.4 本文主要研究内容和创新点

第2章 斜拉桥模型耦合振动有限元分析

2.1 斜拉桥模型简介

2.2 三维有限元模型固有振动特性分析

2.3 振动系统动力特性影响因素分析

2.4有限元分析模态质量提取理论

2.5 不同配重下固有振动特性分析

2.6 不同配重下固有振动耦合分析

2.7 不同刚度下固有振动特性分析

2.8 不同刚度下固有振动耦合分析

2.9 不同边界条件下固有振动耦合分析

2.10 本章小结

第3章 基于加速度信号的ITD识别算法

3.1 引言

3.2 基本原理

3.3 构造数学模型

3.4 结构模态参数识别

3.5 自由振动响应矩阵构造

3.6 虚假模态判别方法

3.7 基于加速度信号的ITD法程序编译

3.8 仿真算例

3.9实验验证

3.10 本章小结

第4章 基于无线传感器的斜拉桥模型模态分析

4.1 概述

4.2斜拉桥模型固有振动特性分析

4.3 耦合原因分析

4.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢