桥梁气动弹性模型的模态参数识别

论文摘要

全桥气动弹性模型是研究大跨桥梁风致振动性能的重要手段。为确保气动弹性模型试验结果能真实反应实际桥梁结构在大气边界层的风振响应，全桥气弹模型需要在满足模型与原型气动外形的同时，还需与原型结构的动力特性保持必要的相似关系。气动弹性模型设计时往往采用刚度等效的芯梁来模拟加劲梁的刚度，而且设计时往往忽略了一些次要因素，同时模型制作会带来一些误差。为验证气动弹性模型动力特性的保真性，模型的动力特性识别就尤为重要。在频域内，反映结构动力特性的参数包括模态频率、振型、阻尼比及模态质量；只要加劲梁的质量、质量矩及振型与实桥一致，模态质量也自然而然一致。因此，本文主要进行气动弹性模型的频率、振型及阻尼比识别工作。基于气动弹性模型的环境振动响应，应用模态识别软件ARTeMIS中的频域分解法(Frequencydomaindecomposition,FFD)及数据驱动的随机子空间识别(Stochasticsubspaceidentification,SSI)对气动弹性模型的模态参数进行识别。论文主要工作如下：（1）在文献综述的基础上，较为系统地介绍了模态参数识别的频域分解法及随机子空间方法的理论和算法过程。讨论了数据驱动随机子空间识别方法对投影矩阵加权方法不同形成的三种不同的随机子空间识别算法：非加权主分量算法（UPC算法），主分量算法（PC算法）和规范变量算法（CVA算法）。（2）应用ARTeMIS软件对一简支梁桥及澧水大桥的模态识别进行了数值仿真。通过不同激励条件的无噪声和有噪声污染的加速度响应，识别了模态频率、振型及阻尼。结果表明，频率及振型的识别结果具有良好的精度及可靠性，噪声影响较小。但阻尼参数的识别差异较大，而且识别结果与参数设置的不同有较大关系。不同参数设置时，阻尼识别结果的差异可达到3倍之多。（3）详细介绍了湖南澧水大桥全桥气动弹性模型的环境振动试验，用频域分解法和时域随机子空间方法分别识别出桥梁的模态参数。结果表明澧水大桥的频率与振型基本满足设计要求，但识别的模态阻尼比较大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 本文研究背景及意义
• 1.1.1 抗风试验手段的发展
• 1.1.2 研究背景及意义
• 1.2 系统识别方法
• 1.2.1 系统识别概述
• 1.2.2 基于环境激励的模态参数识别方法
• 1.2.3 模态识别频域法
• 1.2.4 模态识别时域法
• 1.3 关于 ARTeMIS 软件
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 模态识别方法
• 2.1 频域分解法
• 2.1.1 频域分解法理论
• 2.1.2 频域分解法模态参数计算
• 2.1.3 增强频域分解法（EFDD）
• 2.2 随机子空间方法
• 2.2.1 系统的状态空间方程
• 2.2.2 协方差驱动随机子空间方法
• 2.2.3 数据驱动随机子空间方法
• 2.2.4 模态参数提取
• 2.3 随机子空间的三种不同算法
• 2.3.1 非加权主分量算法（UPC）
• 2.3.2 主分量算法（PC）
• 2.3.3 规范变量分析算法（CVA）
• 2.4 小结
• 第3章 模态参数识别数值模拟验证
• 3.1 常见激励信号
• 3.1.1 正弦激励信号
• 3.1.2 白噪声激励
• 3.1.3 风谱激励
• 3.2 简支梁桥模态识别数值模拟
• 3.2.1 简支梁桥模型及自振特性
• 3.2.2 简支梁桥在白噪声激励下的响应
• 3.2.3 识别结果及参数分析
• 3.3 澧水大桥有限元模型模态识别数值模拟
• 3.3.1 澧水大桥有限元模态分析
• 3.3.2 测点布置及激励
• 3.3.3 澧水大桥有限元模型模态识别结果分析
• 3.4 小结
• 第4章 澧水桥全桥气弹模型模态识别
• 4.1 气动弹性模型有限元分析
• 4.2 澧水大桥全桥气弹模型制作
• 4.3 澧水大桥气弹模型环境振动试验
• 4.3.1 测点布置
• 4.3.2 试验测试过程
• 4.4 测试数据处理分析
• 4.4.1 试验数据处理结果
• 4.4.2 试验结果与有限元模态分析结果的比较
• 4.5 小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢