基于Hilbert-Huang變換的橋梁監(jiān)測信號分析與處理和時變模態(tài)參數(shù)識別.pdf

1、大型橋梁健康監(jiān)測的難點之一是對橋梁結構響應的客觀、有效分析與處理。由于實測響應趨于非線性、非平穩(wěn)，難以用發(fā)展相對成熟的線性和平穩(wěn)過程理論來解釋，因而迫切需要發(fā)展有效實用的結構響應分析與處理技術。 Hilbert-Huang變換(HHT)是一種全新的信號時頻分析方法，本文在研究其基本理論的基礎上，利用已建立的南京長江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)，將HHT應用于橋梁監(jiān)測信號的分析與處理中，并對時變結構的模態(tài)參數(shù)識別問題進行了研究。通過對實測結構

2、響應進行更客觀、有效、科學的分析和處理，探索橋梁結構復雜、非平穩(wěn)響應的內在機理。 論文的主要研究內容如下： (1)提出了一種新的端點效應抑制方法——極值平移法，并將HHT與小波變換、Fourier變換進行了對比分析。端點效應是應用經(jīng)驗模態(tài)分解(EMD)的瓶頸問題，其有效解決對完善HHT理論具有重要意義。本文以信號端點及其附近極值的特征作為延拓依據(jù)，分別在信號兩端各添加四個平移極值點，以此達到抑制端點發(fā)散的目的。實測響應的

3、分解結果表明該方法計算效率高，可有效地減輕端點效應對EMD的影響；對比分析結果表明HHT在處理非線性、非平穩(wěn)信號方面具有明顯的優(yōu)勢。 (2)提出了一種消除橋梁響應信號中存在的短時強噪聲干擾的方法。根據(jù)短時強噪聲干擾會導致瞬時振幅和瞬時頻率表現(xiàn)出明顯異常的特點，通過擬合正常區(qū)段的數(shù)據(jù)來消除這種異常，從而使相應的IMF得到凈化。數(shù)值仿真和南京長江大橋實測數(shù)據(jù)的處理結果表明了該方法的良好效果。 (3)將EMD用于橋梁監(jiān)測信號的

4、趨勢分析中，尋求火車激勵下橋梁復雜響應的構成機理。首先，計算橋梁在一定加載模式下的位移和應力響應。然后，用EMD把響應分離成不含趨勢項的振動分量和趨勢項，研究各分量對應的物理意義。最后，利用南京長江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)采集的實測數(shù)據(jù)對響應構成機理進行了探討。研究成果可應用于橋梁健康監(jiān)測和狀態(tài)評估的實際工程中。 (4)提出了一種識別時變結構模態(tài)參數(shù)的方法。推導出了利用時變單自由度結構的位移響應識別模態(tài)參數(shù)的理論表達式。然后根據(jù)EMD優(yōu)

5、良的模態(tài)濾波性能，將該方法擴展到時變多自由度結構的模態(tài)參數(shù)識別中。通過對時變多自由度結構的響應進行處理，從中分離出對應結構單階模態(tài)的瞬態(tài)響應。仿真算例表明了該方法的良好識別效果。 (5)自行設計一時變結構實驗，對本文提出的時變結構模態(tài)參數(shù)識別方法作進一步的研究。實驗對象為一懸臂梁結構，通過振動時改變梁的附加質量和剛度的大小來實現(xiàn)質量連續(xù)變化、剛度連續(xù)變化和剛度突變三種時變結構，利用梁上測點的自由振動加速度響應識別結構時變的模態(tài)參