橋梁健康監(jiān)測與工作模態(tài)分析的理論和應(yīng)用及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn).pdf

1、橋梁作為交通土建的重要組成部分，其安全運(yùn)營具有重要意義。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，橋梁朝著“大跨度”、“新材料”及“新體系”的方向發(fā)展，這給橋梁的設(shè)計、施工及后期運(yùn)營管理都帶來了新的挑戰(zhàn)。而已經(jīng)發(fā)生的橋梁事故時刻警醒著我們保證橋梁運(yùn)營安全的重要性;在這樣的背景下，基于動力測試的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)成為近年來的研究熱點(diǎn)。隨著工業(yè)制造和儀器儀表業(yè)的發(fā)展，傳感器的精度已經(jīng)得到很大的提升，硬件設(shè)備不再是健康監(jiān)測的羈絆;而結(jié)構(gòu)損傷識別在橋梁健康監(jiān)測中的問題

2、更多的是從理論到實(shí)際的轉(zhuǎn)化。論文圍繞橋梁健康監(jiān)測與工作模態(tài)分析的理論、應(yīng)用及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)展開了以下幾個方面的研究:
　　1、在現(xiàn)有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)了橋梁健康監(jiān)測的研究現(xiàn)狀。研究了橋梁健康監(jiān)測信號分析處理方法;分別介紹了橋梁動力信號前處理、基于FFT的穩(wěn)態(tài)頻譜分析及時頻分析方法。針對實(shí)測動力信號的非平穩(wěn)的特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了時頻分析工具Hilbert-Huang變換(HHT)，通過仿真信號和實(shí)測信號的分析驗(yàn)證了HHT在分析非平穩(wěn)、非線性信號

3、方面的優(yōu)勢，同時指出了經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解中存在的一些問題;
　　2、介紹了環(huán)境激勵模態(tài)參數(shù)識別常用方法;按照“結(jié)構(gòu)隨機(jī)狀態(tài)模型”、“系統(tǒng)矩陣識別”、“模態(tài)參數(shù)識別”及“結(jié)果不確定度分析”系統(tǒng)地介紹了時域隨機(jī)子空間識別(SSI)理論;針對SSI中存在的系統(tǒng)階次難以確定的問題，提出了一種基于奇異值分解的系統(tǒng)階次加權(quán)判定法;針對目前對SSI識別結(jié)果的精確性無法衡量的問題，引入了基于敏感性分析的模態(tài)參數(shù)不確定度量化方法，并結(jié)合多個測試組識別結(jié)果

4、的方差分析，形成了一套從整體到局部的模態(tài)參數(shù)不確定度量化方法，構(gòu)建了識別結(jié)果的置信區(qū)間;通過一個兩自由度振動系統(tǒng)的數(shù)值模擬驗(yàn)證了SSI理論和所提出的方法;
　　3、首次考慮了結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)對工作模態(tài)分析的影響，解決了工作模態(tài)分析存在的兩大主要問題之一:因環(huán)境荷載頻帶窄而導(dǎo)致高階振動和扭轉(zhuǎn)模態(tài)難以識別。首先從結(jié)構(gòu)輸出協(xié)方差出發(fā)，分析了初始條件對其精度的影響;其次，基于蒙特卡洛方法，利用一個單自由度振動系統(tǒng)分析了采樣時間、初始條件、阻尼

5、比等各種參數(shù)對工作模態(tài)分析精度的影響;最后利用一高速鐵路高架橋的工作模態(tài)分析，驗(yàn)證了在考慮結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)時，部分高階模態(tài)能被識別，且識別精度滿足要求;
　　4、研究了經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)在模態(tài)參數(shù)識別中的應(yīng)用，首先介紹了一種基于EMD和隨機(jī)減量法的模態(tài)參數(shù)識別方法;然后針對EMD存在的模態(tài)混疊問題和SSI存在的虛假模態(tài)問題，提出了基于限制帶寬的EMD和SSI的模態(tài)參數(shù)識別方法;限制帶寬的EMD有效地抑制了模態(tài)混疊，而利用其分解出的

6、本征模態(tài)函數(shù)作為SSI的輸入，穩(wěn)定圖的虛假模態(tài)也得到抑制;通過松頭江大橋的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析驗(yàn)證了這種方法;
　　5、基于Visual Studio2010平臺開發(fā)了一套橋梁健康監(jiān)測軟件(HBHM1.0);介紹了軟件的總體設(shè)計及各部分功能模塊，并介紹了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫的開發(fā);提出了一種數(shù)據(jù)采集模擬系統(tǒng)，便于軟件的初期開發(fā)及調(diào)試;論文重點(diǎn)介紹了軟件的信號處理及模態(tài)參數(shù)識別模塊，同時為了完整性，介紹了軟件中的損傷識別及多層次性能評估模塊;由