基于加速度和应变信号的移动荷载识别

摘要

在桥梁健康监测的研究中，桥梁上通过的移动荷载大小是影响桥梁使用寿命的一个重要因素，基于桥梁的动力响应进行移动荷载识别属于第二类反问题的范畴，本文在总结现有移动荷载识别方法的基础上，研究了通过重构动位移信号的方法来识别移动荷载，具体的研究内容如下：
　　（1）总结了目前国内外的学者在移动荷载识别方面所取得的成果，归纳了在原有的IMI、IMII、TDM和FTDM的四种识别方法上进行改进和优化的荷载识别算法，通过研究荷载识别误差产生的原因，提出采用数字信号处理的方法对含噪声的信号进行先优化后求解，以达到减小识别误差的目的。
　　（2）将桥梁上由移动荷载作用引起的动位移信号分解成为静力荷载部分引起的静力位移和惯性力引起的振动位移，静力位移利用应变信号获得，对应变信号进行经验模态分解，通过去除高频部分，留下低频部分得到静力引起的应变时程曲线，再通过最小二乘法求解梁的曲率函数，利用曲率与竖向位移的关系得到静力引起的竖向位移；对于振动位移部分，利用加速度信号在频域进行二次积分的方法可以得到，积分前需要先对信号进行降噪优化，每一次积分过后根据平衡条件去除积分趋势项；最后通过静力位移和振动位移两部分的结果实现位移信号的重构，数值算例和试验的结果表明，该方法能够较为准确地获得结构的动位移。
　　（3）对比了基于MATLAB的时域积分算法和频域积分算法，发现频域积分算法在多次运算去趋势项后仍能保证积分的精度，信号在积分过程中产生的趋势项可以通过最小二乘法拟合的方式去除。利用一组由多个正弦的叠加信号进行数字降噪的分析，对自适应降噪的效果进行了研究，当滤波阶数和步长因子取值合理的时候，该算法能够得到稳定且还原度高的信号，降噪后的信号能够满足积分目标的要求。
　　（4）进行了一个简支梁的试验室试验，试验分为结构的模态试验和移动荷载试验两个部分，通过模态试验获取了结构的动力特性，并对结构的刚度值进行了标定；移动荷载试验中测量了不同的车速和荷载作用下各个测点的动力响应，其中应变响应分解后用于识别静力位移，加速度信号降噪后二次积分算得振动位移，将重构后的位移和实测动位移进行对比，发现二者的吻合度非常好，通过三个测点的位移重构信号进行了移动荷载识别，无论是IMII还是TDM方法，都可以准确识别出不同工况下的移动荷载，通过降噪恢复的信号对于提高荷载识别的精度具有一定的帮助。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究的意义

1.2 移动荷载识别的研究现状

1.3 移动荷载识别算法的改进方向

1.4 本文研究的内容

第2章 荷载识别理论及振动方程的建立

2.1 荷载分析模型

2.2 荷载识别的桥梁模型

2.3 移动荷载识别方法

2.4 本章小结

第3章 移动荷载作用下的动位移识别

3.1 基于应变的静荷载位移识别

3.2 经验模态分解

3.3 积分算法理论研究

3.4 信号的处理方法

3.5 MATLAB信号处理方法的实现

3.6 本章小结

第4章 移动荷载识别的数值模拟算例

4.1 不同参数对桥梁动力响应的影响

4.2 移动荷载识别的算例分析

4.3 本章小结

第5章 信号处理与荷载识别的试验研究

5.1 结构的动力测试

5.2 移动荷载识别试验

结论

参考文献

致谢