基于环境激励的桥梁结构模态参数识别方法的研究

摘要

土木工程结构在使用过程中，在环境中各种载荷的作用下，会发生不同程度的损伤，从而埋下隐患，造成事故。因此，对结构的损伤进行安全评估显得尤为重要。通过结构的动态特定对结构进行损伤定位和损伤定量，已经成为一个十分热门的课题，所以结构模态参数的准确识别也成为了结构损伤诊断的核心问题之一。　　结构的模态参数识别方法分为传统的模态识别方法与环境激励下的模态识别方法。而后者相较于前者，具有成本低、不影响结构的正常工作、无需人工激励等诸多优点。所以，本文就环境激励下的结构模态参数识别方法展开研究。　　本文首先介绍了模态分析的理论基础，并推导了两种时域数据预处理算法（随机减量法RDT、自然激励技术NExT法）以及四种基于环境激励的模态参数识别方法（ITD法、STD法、ARMA模型时序分析法、随机子空间SSI法）。接着通过建立桥梁结构的有限元模型，做瞬态分析，获取了桥梁结构在三种不同的环境激励下的位移时程数据，对有限元模型进行模态参数识别，与桥梁结构的真实模态参数对比，验证算法的适用性。然后通过对时程数据加入不同程度的噪声干扰，验证各个算法的抗噪能力。综合比较，选择出最优的模态识别方法，SSI法。同时，将本文所推导的模态参数识别法与时程数据预处理方法NExT法结合，提出新的模态识别方法，并验证算法在环境激励下的适用性、准确性和抗噪能力。最后通过对一个实验桥墩实测加速度时程数据的分析计算，实现了本文推导的模态识别方法法在工程实际中的应用。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 模态参数识别方法的概述

1．2．1 模态参数识别方法的分类

1．2．2 基于环境激励的结构模态参数的识别方法

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文的主要工作计划

2 模态分析的理论基础

2．1 结构振动的三个问题

2．2 模态分析理论的三个基本假设

2．3 模态分析的基本理论与相关的几个概念

2．3．1 频响函数的相关概念及理论

2．3．2 脉冲响应函数的概念及理论

2．3．3 相关函数的概念及理论

2．4 白噪音信号的概念及基本理论

2．5 本章小结

3 结构模态参数识别方法的理论研究

3．1 随机减量法

3．2 自然激励技术法

3．3 ITD算法

3．4 STD算法

3．5 ARMA模型时间序列分析法

3．6 随机子空间法(Stochastic Subspace Identification)

3．6．1 构造Hankel矩阵

3．6．2 协方差驱动算法

3．6．3 数据驱动算法

3．6．4 关于随机子空间模态识别法中系统阶次的确定

3．7 本章小结

4 基于数值模拟的模态参数识别方法的应用

4．1 数值模拟的理论基础

4．1．1 数值模拟的方法与流程

4．1．2 有限元建模分析

4．1．3 模态识别方法的matlab程序实现

4．2 变截面连续箱梁刚构桥的有限元模型

4．2．1 连续梁桥的相关信息

4．2．2 有限元模型的建立

4．2．3 基于有限元软件的桥梁结构模态分析

4．3 环境激励的产生以及桥梁测点的选择

4．3．1 冲击荷载的产生

4．3．2 地震波荷载的产生

4．3．3 高斯白噪声信号的产生

4．3．2 测点的选择与布置

4．4 有限元结构的模态参数识别

4．4．1 冲击荷载作用下的结构模态参数识别

4．4．2 地震波作用下的结构模态参数识别

4．4．3 高斯白噪声作用下的结构模态参数识别

4．4．4 三种环境激励下的模态识别结果分析

4．4．5 随机子空间法对模态振型的识别

4．5 模态识别方法的抗噪性能分析

4．6 结合NExT法的模态参数识别

4．6．1 NExT法的时域数据预处理

4．6．2 NExT／STD法的模态参数识别结果

4．6．3 NExT／ARMA法的模态参数识别结果

4．6．4 结合NExT法的抗噪性能分析

4．7 本章小结

5 实验桥墩的模态参数识别

5．1 实验概况

5．1．1 实验桥墩相关信息

5．1．2 实验加载及测试装置

5．2 桥墩有限元模型的模态分析

5．2．1 有限元模型

5．2．2 有限元模态分析

5．3 实测数据的模态参数识别

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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