橋梁健康監(jiān)測(cè)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(yíng)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(jì)、施工及后期運(yùn)營(yíng)管理都帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。而已經(jīng)發(fā)生的橋梁事故時(shí)刻警醒著我們保證橋梁運(yùn)營(yíng)安全的重要性;在這樣的背景下，基于動(dòng)力測(cè)試的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為近年來(lái)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(cè)的羈絆;而結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的問(wèn)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(cè)與工作模態(tài)分析的理論、應(yīng)用及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)展開(kāi)了以下幾個(gè)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(cè)的研究現(xiàn)狀。研究了橋梁健康監(jiān)測(cè)信號(hào)分析處理方法;分別介紹了橋梁動(dòng)力信號(hào)前處理、基于FFT的穩(wěn)態(tài)頻譜分析及時(shí)頻分析方法。針對(duì)實(shí)測(cè)動(dòng)力信號(hào)的非平穩(wěn)的特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了時(shí)頻分析工具Hilbert-Huang變換(HHT)，通過(guò)仿真信號(hào)和實(shí)測(cè)信號(hào)的分析驗(yàn)證了HHT在分析非平穩(wěn)、非線性信號(hào)

3、方面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)指出了經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解中存在的一些問(wèn)題;
　　2、介紹了環(huán)境激勵(lì)模態(tài)參數(shù)識(shí)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(shí)別”、“模態(tài)參數(shù)識(shí)別”及“結(jié)果不確定度分析”系統(tǒng)地介紹了時(shí)域隨機(jī)子空間識(shí)別(SSI)理論;針對(duì)SSI中存在的系統(tǒng)階次難以確定的問(wèn)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(duì)目前對(duì)SSI識(shí)別結(jié)果的精確性無(wú)法衡量的問(wèn)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(gè)測(cè)試組識(shí)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(shí)別結(jié)果的置信區(qū)間;通過(guò)一個(gè)兩自由度振動(dòng)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(duì)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(wèn)題之一:因環(huán)境荷載頻帶窄而導(dǎo)致高階振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)難以識(shí)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(duì)其精度的影響;其次，基于蒙特卡洛方法，利用一個(gè)單自由度振動(dòng)系統(tǒng)分析了采樣時(shí)間、初始條件、阻尼

5、比等各種參數(shù)對(duì)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(shí)，部分高階模態(tài)能被識(shí)別，且識(shí)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(shí)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(shí)別方法;然后針對(duì)EMD存在的模態(tài)混疊問(wèn)題和SSI存在的虛假模態(tài)問(wèn)題，提出了基于限制帶寬的EMD和SSI的模態(tài)參數(shù)識(shí)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(guò)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(tái)開(kāi)發(fā)了一套橋梁健康監(jiān)測(cè)軟件(HBHM1.0);介紹了軟件的總體設(shè)計(jì)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(kù)的開(kāi)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(kāi)發(fā)及調(diào)試;論文重點(diǎn)介紹了軟件的信號(hào)處理及模態(tài)參數(shù)識(shí)別模塊，同時(shí)為了完整性，介紹了軟件中的損傷識(shí)別及多層次性能評(píng)估模塊;由