城市桥梁实验模态分析方法

论文摘要

土木工程结构是国家基础设施的重要组成部分,对人民的生活和安全有着直接的影响,所以在桥梁、大坝等大型土木工程结构中安装结构健康监测系统是十分有必要的。而通过大型的土木工程结构动力特征参数的了解和掌握,可以方便的对其进行全方位的检测、评估和健康监测。结构的模态参数能够反映出其动力特征,模态参数识别是实验模态分析的核心。实验模态分析的模态参数识别可以分为两类,即传统的结构模态参数识别方法和环境激励下的结构模态参数识别方法。两者相比较而言,基于环境激励下的模态参数识别方法能够仅仅利用所测得的响应信号来识别结构的模态参数,是仅基于输出数据的模态参数识别；并且具有无需对结构施加激励,节省人工和设备费用,可以避免对结构产生损伤等优点,因而在工程中得到了广泛的应用。本文主要研究基于环境激励下桥梁模态参数识别问题。完成的主要工作如下：(1)对目前国内外桥梁健康监测技术的发展进行了回顾,论述了其重要意义。以桥梁健康监测技术所涉及的结构动力学层面的问题为切入点,对模态分析这一概念做了简单的概述,并就其核心问题—模态参数的识别进行了较为全面的论述,包括研究现状、已有成果和存在问题等方面。(2)介绍了实验模态分析的相关原理,重点介绍了信号处理知识和模态参数识别知识：给出了离散傅里叶变换和快速傅里叶变换的推导公式；介绍了模态参数识别中频域方法和时域方法各自的技术路线,并对一些方法的原理、优缺点、流程等进行了研究。(3)系统地讨论了环境激励情况下模态参数识别的频域方法。通过对系统结构振动方程的分析,介绍了传统模态参数识别频域方法的表达式以及基本的识别过程。重点研究了输入未知时正交多项式拟合法的理论背景和计算公式,给出了该方法的一般流程图,并对实验过程中需要注意的问题进行了探讨。最后进行了数值算例的验证,证明了其有效性和可行性。(4)为进一步研究正交多项式拟合法基于环境激励下输入未知时的稳定性和适用性,利用该方法应用于工程实例—郑州市南三环立交桥。详细介绍了该桥的实验过程,用正交多项式拟合法识别出桥梁的模态参数,并与有限元计算结果进行了比较,验证了该方法的实用性和有效性。(5)小结了本文的主要工作和结论,并对大型土木工程结构健康监测的发展前景和基于环境振动模态参数识别问题有待进一步研究的工作进行了讨论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 本课题的研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 模态分析概述
• 1.2.2 模态参数识别研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 2 实验模态分析的相关原理
• 2.1 引言
• 2.2 数字信号处理基本原理
• 2.2.1 数字信号分析基本知识
• 2.2.2 离散傅里叶变换（DFT）
• 2.2.3 快速傅里叶变换（FFT）
• 2.3 模态参数识别理论
• 2.3.1 模态参数识别的频域方法
• 2.3.2 模态参数识别的时域方法
• 2.4 本章小结
• 3 环境激励下模态参数识别的频域法
• 3.1 引言
• 3.2 结构振动方程
• 3.2.1 无阻尼特征值问题
• 3.2.2 比例阻尼特征值问题
• 3.3 传统的模态参数识别频域法
• 3.3.1 傅里叶变换
• 3.3.2 频响函数
• 3.3.3 功率谱密度函数
• 3.4 输入未知时模态参数识别的正交多项式拟合法
• 3.5 数值模拟算例
• 3.6 本章小结
• 4 基于环境激励的城市桥梁模态参数识别应用实例
• 4.1 引言
• 4.2 郑州市南三环嵩山路立交桥环境激励实验
• 4.2.1 工程概况
• 4.2.2 实验前期准备工作
• 4.2.3 实验设计及分析
• 4.2.4 实验结论与讨论
• 4.3 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢