混凝土斜拉橋的模態(tài)參數(shù)識別與模型修正.pdf

1、基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性變化的大跨橋梁結(jié)構(gòu)損傷診斷研究越來越受到人們的關(guān)注，而大跨混凝土斜拉橋結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)識別與模型修正，是橋梁健康監(jiān)測中迫切需要解決但又尚未完全解決的一個(gè)極為復(fù)雜的問題。本文以惠州合生大橋?yàn)樵停嫦蚪】翟\斷設(shè)計(jì)制作了1∶15的大比例混凝土斜拉橋試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，對面向健康診斷的斜拉橋模型設(shè)計(jì)、斜拉橋模態(tài)試驗(yàn)與模態(tài)參數(shù)識別、斜拉橋有限元建模與模型修正等方面進(jìn)行了研究。主要內(nèi)容如下:
　　(1)對面向健康診斷的混凝土斜拉橋模型設(shè)

2、計(jì)進(jìn)行了研究
　　以廣東惠州合生大橋?yàn)樵?，面向健康診斷設(shè)計(jì)制作了1∶15的大比例混凝土斜拉橋模型，針對模型設(shè)計(jì)過程中的困難，提出在滿足制作條件的前提下，對模型橋主梁和主塔的設(shè)計(jì)應(yīng)主要滿足抗彎剛度相似的要求，放松對軸向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度等參數(shù)的相似要求，并給出了模型橋配重和斜拉索簡化方法。采用有限元法對模型橋和原型橋的靜動(dòng)力特性及損傷特性進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明模型橋和原型橋的靜動(dòng)力特性及損傷特性具有良好的相似性，可為混凝土斜拉橋的模

3、型設(shè)計(jì)提供參考。
　　(2)采用錘擊法和環(huán)境激勵(lì)法對模型橋進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn)和模態(tài)參數(shù)識別研究
　　采用特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法(ERA)對錘擊法模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了模態(tài)參數(shù)識別，得到了模型橋的前21階模態(tài)參數(shù);采用隨機(jī)減量法結(jié)合ERA法對環(huán)境激勵(lì)法模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了模態(tài)參數(shù)識別，得到了模型橋的前17階模態(tài)參數(shù)。分別采用白噪聲和實(shí)測地脈動(dòng)非白噪聲信號作為激勵(lì)信號，對梁殼有限元模型進(jìn)行了時(shí)程響應(yīng)分析，對兩種激勵(lì)下的響應(yīng)信號進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識別，

4、將識別結(jié)果進(jìn)行對比可見，非白噪聲激勵(lì)可使模態(tài)參數(shù)識別定階過程中產(chǎn)生虛假模態(tài)，有限元預(yù)分析可為模態(tài)參數(shù)識別過程中的虛假模態(tài)剔除提供一個(gè)虛假模態(tài)可能出現(xiàn)的范圍，另外，非白噪聲激勵(lì)可降低模態(tài)頻率和模態(tài)振型的識別精度。提出了以精細(xì)有限元預(yù)分析結(jié)果為先驗(yàn)知識參考，將穩(wěn)定圖法、實(shí)測激勵(lì)信號及信噪比高的測點(diǎn)信號的頻譜分析結(jié)果相結(jié)合進(jìn)行定階和虛假模態(tài)剔除的方法，實(shí)踐表明，該方法能夠準(zhǔn)確識別模型橋的模態(tài)參數(shù)并剔除了虛假模態(tài)，為環(huán)境激勵(lì)試驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)識別中虛

5、假模態(tài)的剔除提供一種新思路。
　　分別從不同參數(shù)識別方法和基于MONTECARLO法的噪聲模擬兩個(gè)方面對錘擊法和環(huán)境激勵(lì)法模態(tài)參數(shù)識別的不確定性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:由不同參數(shù)識別方法引起的模態(tài)參數(shù)的不確定性明顯高于由噪聲模擬引起的不確定性，因此，不同參數(shù)識別方法引起的不確定問題不能忽略;通過基于MONTECARLO法的噪聲模擬給出了錘擊法和環(huán)境激勵(lì)法模態(tài)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)不確定區(qū)間，為模型修正、損傷識別等研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
　　(

6、3)錘擊法和環(huán)境激勵(lì)法模態(tài)頻率識別結(jié)果差異的對比分析
　　通過對模型橋張拉預(yù)應(yīng)力前后及張拉預(yù)應(yīng)力后主梁損傷三個(gè)工況的錘擊法和環(huán)境激勵(lì)法識別的頻率差值進(jìn)行對比，三個(gè)工況下錘擊法和環(huán)境激勵(lì)法識別的頻率差值百分比最大分別為3.64％、1.24％、1.84％，可見，張拉預(yù)應(yīng)力后錘擊法和環(huán)境激勵(lì)法識別的模態(tài)頻率差值比張拉預(yù)應(yīng)力前明顯減小，主梁損傷工況錘擊法和環(huán)境激勵(lì)法識別的模態(tài)頻率差值比張拉預(yù)應(yīng)力后增大，由此推測，對于混凝土斜拉橋結(jié)構(gòu)，由于

7、混凝土微裂縫或裂縫的存在，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅值大小可能會(huì)對主梁和主塔構(gòu)件的截面剛度產(chǎn)生影響，振動(dòng)幅值越大結(jié)構(gòu)的剛度越低。
　　(4)研究了混凝土斜拉橋有限元建模與模型修正
　　提出了基于參數(shù)和目標(biāo)函數(shù)分類的改進(jìn)的模型修正技術(shù)，該模型修正技術(shù)通過靈敏度分析對修正參數(shù)和目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)選和分類、排序，逐級進(jìn)行模型修正。結(jié)果表明，改進(jìn)的模型修正技術(shù)有效改善了模型修正的病態(tài)問題，能夠明顯的提高模型修正效率并得到更優(yōu)的模型修正結(jié)果。分別采用單

8、主梁模式、三主梁模式、梁殼模式和實(shí)體模式建立了模型斜拉橋的初始有限元模型，采用改進(jìn)的模型修正技術(shù)對各種初始有限元模型進(jìn)行了模型修正，將修正前后的動(dòng)力特性計(jì)算值與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，討論了不同模式建模方法的計(jì)算精度和模型修正效果，以及有限元建模誤差來源和模型修正的相關(guān)問題。結(jié)果表明，初始有限元模型計(jì)算誤差主要是由建模誤差和參數(shù)誤差引起的;梁單元模型在建模方面有其局限性，單主梁模型無法準(zhǔn)確模擬∏形主梁斜拉橋的扭轉(zhuǎn)特性，應(yīng)根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和