基于改进的数据驱动随机子空间方法的钢筋混凝土立筒仓动力参数研究

论文摘要

钢筋混凝土立筒仓在我国粮食、煤炭、建材、冶金等行业中被广泛应用,然而在地震中钢筋混凝土立筒仓发生破坏的现象依然严重。因此,根据立筒仓结构设计、工程应用、抗震减灾的需要,对其动力计算问题进行深入系统的理论分析和试验研究是十分必要和紧迫的。目前对于钢筋混凝土立筒仓动力计算问题的研究甚少,没有形成成熟的理论体系。对于立筒仓的抗震设计,在“工业构筑物抗震鉴定标准”中仅有单仓的频率简化计算方法,而没有相应规范和标准给出群仓的频率、振型和阻尼比的计算方法。因此,采用环境激励法进行立筒仓动力参数研究具有重要的理论意义和工程应用价值。环境激励法已广泛应用于大型建筑结构、桥梁结构和传输塔等结构中,将其应用于钢筋混凝土立筒仓结构中尚属首次。本文在对国内外结构环境激励实验和模态参数识别方法进行分析总结的基础上,采用理论分析、数值模拟和实验相结合的方法,对不同支承方式和不同荷载工况下的钢筋混凝土立筒单仓和群仓的环境激励实验方案和动力参数识别方法进行了深入研究。完成的主要研究工作和成果总结如下:1.钢筋混凝土立筒单仓和群仓的数值模拟研究。本文对四个模型仓和两个在役实仓进行了不同工况下的有限元模态分析。通过比较单仓和群仓的有限元模态分析结果,总结出了单仓和群仓模态各自的特点及差异。通过比较立筒仓不同工况下的有限元模态分析结果,研究了贮料对立筒仓模态的影响。2.钢筋混凝土立筒仓的动力参数识别方法研究。分析研究了基于环境激励的结构模态参数识别的频域、时域和联合时频域方法,提出了改进的数据驱动随机子空间方法,并编制了该识别方法的计算程序,采用经典结构悬臂梁验证了算法的有效性和计算精度。3.基于环境激励的钢筋混凝土立筒仓的测试技术研究。本文首先选取了柱支承、筒壁支承单仓和群仓模型进行环境激励实验,以获取所需模态振型为目标,重点研究了单仓和群仓模型的测点布置方案,之后进行了实际工作状态下的新密市超化煤仓和郑州市东郊粮库群仓的环境激励实验。4.钢筋混凝土立筒仓各阶模态的获取与分析。本文首先利用有限元模态分析得到了立筒仓各阶模态的频率和振型,之后通过立筒仓的环境激励实验测试得到结构的加速度响应数据,利用峰值拾取法和本文提出的改进的数据驱动随机子空间方法进行了立筒仓的动力参数识别。将两种识别方法的计算结果进行了对比分析,并将识别结果与有限元模态分析结果进行了对比分析,验证了本文提出的模态参数识别方法的有效性,并为建立有效的立筒仓有限元分析模型提供了依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 钢筋混凝土立筒仓动力问题研究和模态参数识别综述
• 1.2.1 国内外钢筋混凝土立筒仓动力问题研究现状
• 1.2.2 模态参数识别研究现状
• 1.3 课题的主要研究工作
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究的技术路线
• 1.3.3 研究成果
• 1.4 课题研究的创新点
• 1.5 论文章节安排
• 第二章 结构模态参数识别基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 基于环境激励的模态参数识别的频域方法
• 2.2.1 峰值拾取法
• 2.2.2 频域分解法
• 2.3 基于环境激励的模态参数识别的时域方法
• 2.3.1 ITD 法
• 2.3.2 随机减量法
• 2.3.3 自然激励技术法
• 2.3.4 时间序列分析法
• 2.3.5 经验模态函数分解法
• 2.3.6 随机子空间方法
• 2.4 基于环境激励的模态参数识别的联合时频域方法
• 2.5 本章小结
• 第三章 改进的数据驱动随机子空间方法应用研究
• 3.1 引言
• 3.2 随机子空间法中用到的数学知识概述
• 3.2.1 正交投影
• 3.2.2 统计性规律
• 3.2.3 SVD 和QR 分解
• 3.3 数据驱动随机子空间理论
• 3.3.1 振动系统的状态空间模型
• 3.3.2 随机状态空间模型
• 3.4 基于参考点的数据驱动随机子空间识别方法
• 3.4.1 卡尔曼滤波状态
• 3.4.2 投影变换
• 3.4.3 获取系统矩阵
• 3.4.4 获取系统模态参数
• 3.5 改进的数据驱动随机子空间方法
• 3.5.1 改进的数据驱动随机子空间方法基本思路
• 3.5.2 特征方程的理论背景
• 3.5.3 构建新的特征方程
• 3.5.4 模态截断
• 3.5.5 实模态的计算
• 3.5.6 改进的数据驱动随机子空间方法识别过程
• 3.6 改进的数据驱动随机子空间方法识别系统动力参数的程序
• 3.7 算例验证
• 3.7.1 悬臂梁及其频率和振型的理论公式
• 3.7.2 悬臂梁有限元计算
• 3.7.3 悬臂梁频率、振型和阻尼比识别
• 3.7.4 计算结果分析
• 3.8 本章小结
• 第四章 钢筋混凝土立筒仓的有限元数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 ANSYS 有限元模态分析基本理论和求解过程
• 4.3 钢筋混凝土立筒仓的有限元模态分析
• 4.3.1 柱支承单仓模型
• 4.3.2 筒壁支承单仓模型
• 4.3.3 柱支承立筒群仓模型
• 4.3.4 筒壁支承立筒群仓模型
• 4.3.5 河南省新密市超化煤仓
• 4.3.6 河南省郑州市东郊粮库群仓
• 4.4 本章小结
• 第五章 钢筋混凝土立筒仓的环境激励试验
• 5.1 引言
• 5.2 环境激励法测试立筒仓的试验条件
• 5.2.1 试验仪器
• 5.2.2 钢筋混凝土立筒仓的选择
• 5.3 钢筋混凝土立筒仓的测点布置方案
• 5.3.1 柱支承单仓模型的测试方案
• 5.3.2 筒壁支承单仓模型的测试方案
• 5.3.3 柱支承群仓模型的测试方案
• 5.3.4 筒壁支承群仓模型的测试方案
• 5.3.5 超化煤仓的测试方案
• 5.3.6 东郊粮库筒壁支承群仓的测试方案
• 5.4 钢筋混凝土立筒仓的环境激励测试
• 5.4.1 环境激励测试中主要参数的选择
• 5.4.2 随机振动信号的基本特性
• 5.4.3 测试数据及测试数据分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 钢筋混凝土立筒仓的模态参数识别
• 6.1 引言
• 6.2 采样数据预处理方法简介
• 6.2.1 数字滤波
• 6.2.2 最小二乘法消除多项式趋势项
• 6.2.3 五点三次平滑法消除不规则趋势项和振动曲线平滑
• 6.2.4 预处理方法在钢筋混凝土立筒仓中的应用
• 6.3 环境激励下柱支承单仓模型的模态参数识别
• 6.3.1 模型介绍
• 6.3.2 信号预处理
• 6.3.3 频率和阻尼比识别
• 6.3.4 模态振型识别
• 6.4 环境激励下筒壁支承单仓模型的模态参数识别
• 6.4.1 模型介绍
• 6.4.2 信号预处理
• 6.4.3 频率和阻尼比识别
• 6.4.4 模态振型识别
• 6.5 环境激励下柱支承立筒群仓模型的模态参数识别
• 6.5.1 模型介绍
• 6.5.2 信号预处理
• 6.5.3 频率和阻尼比识别
• 6.5.4 模态振型识别
• 6.6 环境激励下筒壁支承立筒群仓模型的模态参数识别
• 6.6.1 模型介绍
• 6.6.2 信号预处理
• 6.6.3 频率和阻尼比识别
• 6.6.4 模态振型识别
• 6.7 环境激励下河南省新密市超化煤矿的某一煤仓（单仓）的模态参数识别
• 6.7.1 模型介绍
• 6.7.2 信号预处理
• 6.7.3 频率和阻尼比识别
• 6.7.4 模态振型识别
• 6.8 环境激励下的河南省郑州市东郊粮库筒壁支承群仓的模态参数识别
• 6.8.1 模型介绍
• 6.8.2 信号预处理
• 6.8.3 频率和阻尼比识别
• 6.8.4 模态振型识别
• 6.9 本章小结
• 第七章 总结和展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 主要贡献和创新点
• 7.3 研究展望
• 附录1
• 1.1 改进的数据驱动随机子空间方法（Improved-DD-SSI）程序
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文