環(huán)境激勵下橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)自動化識別方法研究.pdf

1、橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)識別在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)損傷識別及使用性能評估中具有十分重要的意義，國內(nèi)外學(xué)者在利用總體經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解算法(EEMD)及隨機(jī)子空間算法(SSI)來進(jìn)行信號降噪和模態(tài)參數(shù)識別方面已取得明顯進(jìn)展，但仍存在自適應(yīng)性差、自動化程度不高等諸多不足，本文依托國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2012CB723305)“橋梁結(jié)構(gòu)行為演化理論與安全監(jiān)測方法研究”，針對EEMD算法和SSI算法中存在的不足開展了深入的理論和試驗研究。本研究主要

2、內(nèi)容包括：
　?、裴槍傮w平均經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解算法(EEMD)存在的不足提出了改進(jìn)信號分解算法(AEEMD)。AEEMD主要包括:根據(jù)白噪聲添加準(zhǔn)則及白噪聲幅值標(biāo)準(zhǔn)差與響應(yīng)信號高頻成分幅值標(biāo)準(zhǔn)差的最優(yōu)關(guān)系，推導(dǎo)了添加白噪聲幅值標(biāo)準(zhǔn)差和集成平均次數(shù)的理論計算公式;針對橋梁結(jié)構(gòu)固有頻率低、端點效應(yīng)敏感程度高的問題，結(jié)合預(yù)測延拓算法和極值點延拓算法的優(yōu)點，提出了抑制端點效應(yīng)的新方法—多邊形定位延拓算法;針對IMF分量中的模態(tài)混疊現(xiàn)象問題，在

3、對橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號進(jìn)行分解時，引入了解相關(guān)算法和聚類分析算法;針對有效本征模態(tài)函數(shù)需人為篩選的問題，將互相關(guān)程度、信息熵、能量密度以及平均周期進(jìn)行線性加權(quán)平均，構(gòu)建了有效本征模態(tài)函數(shù)的篩選系數(shù)—有效信息系數(shù)。最后利用Matlab編寫了AEEMD算法的程序代碼，并利用仿真信號和實際橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號對所提算法進(jìn)行可行性分析和驗證。
　?、漆槍?shù)據(jù)驅(qū)動隨機(jī)子空間算法(DATA-SSI)存在的不足，提出了橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)自動化識別算法(A

4、DATA-SSI)。ADATA-SSI主要包括:針對橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)定階通常需人為參與的問題，在現(xiàn)有奇異值跳躍法定階和穩(wěn)定圖定階法的基礎(chǔ)上，提出了奇異熵增量一階導(dǎo)數(shù)自動化定階算法;針對數(shù)據(jù)驅(qū)動隨機(jī)子空間算法在時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別中可靠度低的問題，引入“滑窗技術(shù)”對橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號按時間進(jìn)行合理分段處理，基于此，便可將一窗口內(nèi)的系統(tǒng)視為時不變系統(tǒng);針對橋梁結(jié)構(gòu)真實模態(tài)篩選通常需人為參與、主觀性較大的問題，提出了以“頻率”為主要聚類依據(jù)，以“阻

5、尼比”和“振型”為驗證依據(jù)的真實模態(tài)篩選算法。最后將振動信號預(yù)處理、AEEMD算法以及ADATA-SSI算法相結(jié)合，提出了基于AEEMD和ADATA-SSI的橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)自動化識別算法，并利用Matlab編寫其程序代碼。
　?、墙柚⒘觊L江大橋的檢測數(shù)據(jù)，分別應(yīng)用本文提出的AEEMD算法和原有EEMD算法對該橋梁結(jié)構(gòu)主梁對應(yīng)的響應(yīng)信號進(jìn)行降噪和重構(gòu)處理，以驗證AEEMD算法具有更好的分解與重構(gòu)效果;再應(yīng)用本文提出的ADATA-

6、SSI算法對重構(gòu)響應(yīng)信號進(jìn)行模態(tài)參數(shù)自動化識別，最后將識別結(jié)果與試驗值、有限元計算值進(jìn)行對比分析，以驗證本文所提算法的可行性及優(yōu)越性。
　?、冉柚K通大橋運營階段的部分監(jiān)測數(shù)據(jù)，先應(yīng)用“探索性數(shù)據(jù)分析法”鑒別傳感器采集的信號是否可用;再應(yīng)用“多項式最小二乘法”消除實測信號中的趨勢項和毛刺;然后應(yīng)用“五點三次平滑法”對振動信號進(jìn)行平滑化處理;最后利用本文提出的基于AEEMD和ADATA-SSI的橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)自動化識別算法對該橋梁