大跨度钢管混凝土拱桥模态参数识别方法应用研究

摘要

随着跨径的增大，大跨度钢管混凝土拱桥的动力学问题无论是在施工阶段还是成桥状态都越来越突出。而环境激励振动试验具有无须贵重激励设备，不影响结构的正常使用，方便省时等显著优点，正被越来越多地应用于其模态参数识别领域。 本文首先根据随机子空间(SSI)方法分析得到了钢管混凝土拱桥一四川省泸定县白日坝大桥的模态参数，而后又将小波变换(WTI)应用于该桥的模态参数识别当中，这两种方法所得结果与有限元理论计算值吻合良好，证明此两种方法均具有较强的应用价值。 本文的主要工作和结论如下： 1．建立白日坝大桥的空间有限元模型，对该桥进行有限元模态分析。为了准确测定结构的动力特性，设计了详尽的测试方案，对白日坝大桥开展了环境振动试验。此次试验为随后的模态参数识别准备了较为理想的实测数据； 2．针对传统频域识别方法的不足，根据随机子空间识别的理论和算法，基于Matlab平台编制随机子空间识别程序MABSS，对白日坝大桥进行了模态参数识别，得到的结果与有限元理论计算值较吻合。 3．经典的傅氏变换是一种时间域与频率域之间的全局性变换，以牺牲全部时间信息为代价而获得完美的频率分辨率。对于该变换的先天的缺陷，将具有良好时一频局部化特性的小波变换应用于钢管混凝土拱桥的模态参数识别当中。 基于Matlab平台编制小波变换识别程序MABWT，对白日坝大桥环境振动实测数据进行处理，并与有限元理论计算值和随机子空间法识别值对比，结果相互吻合，证明上述两种方法在钢管混凝土拱桥模态参数识别中的有效性与可靠性。 4．有限元理论计算值与随机子空间法识别值、小波变换识别值相互吻合，表明所建立的白日坝大桥有限元模型很好地反映了该桥的动力学特性，可作为该桥各种复杂动力响应分析、长期健康监测和使用状态评估的基础。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1大跨度钢管混凝土拱桥模态参数识别的发展

1.2基于环境激励的桥梁模态参数识别方法

1.2.1峰值法(PP)

1.2.2频域分解法(FDD)

1.2.3随机减量法(RD)

1.2.4 NExT法

1.3问题的提出

1.3.1随机子空间识别(SSI)

1.3.2小波变换识别(WTI)

1.4本文的主要工作

第二章桥梁模态参数识别方法

2.1随机子空间方法

2.1.1结构振动的状态空间方程

2.1.2 Hankel矩阵的组成

2.1.3 Kalman滤波状态序列

2.1.4正交投影和QR分解

2.1.5投影矩阵奇异值分解

2.1.6识别系统矩阵

2.1.7模态参数的确定

2.1.8稳定图

2.2小波变换方法

2.2.1短时傅立叶变换

2.2.2小波变换概述

2.2.3小波变换与傅立叶变换的比较

2.2.4常用小波函数介绍

2.2.5连续小波变换

2.2.6小波变换系数的模和相位

2.2.7基于小波变换的模态参数识别

2.3本章小结

第三章钢管混凝土拱桥有限元模态分析及现场测试

3.1有限元动力特性分析理论

3.2大跨度钢管混凝土拱桥一白日坝大桥

3.2.1白日坝大桥(钢管混凝土拱桥)简介

3.2.2白日坝大桥有限元模型的建立

3.2.3白日坝大桥有限元模态分析

3.2.4白日坝大桥有限元模态分析结果

3.3白日坝大桥现场测试

3.3.1测试准备

3.3.2试验过程

3.3.3测试中应注意的问题

3.4本章小结

第四章白日坝大桥模态参数识别

4.1随机子空间识别

4.1.1数据准备

4.1.2程序编制

4.1.3识别结果

4.2小波变换识别

4.2.1程序编制

4.2.2考题：质量-弹簧-阻尼系统

4.2.3数据准备

4.2.4识别结果

4.3本章小结

第五章结论与展望

5.1主要研究内容总结

5.2尚需进一步研究的问题

参考文献

附录1 MABSS程序

附录2 MABWT程序

致谢

学习期间发表的论文及参加的科研项目