基于Hilbert-Huang變換的橋梁監(jiān)測信號(hào)分析與處理和時(shí)變模態(tài)參數(shù)識(shí)別.pdf

1、大型橋梁健康監(jiān)測的難點(diǎn)之一是對橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)的客觀、有效分析與處理。由于實(shí)測響應(yīng)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(shí)用的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析與處理技術(shù)。 Hilbert-Huang變換(HHT)是一種全新的信號(hào)時(shí)頻分析方法，本文在研究其基本理論的基礎(chǔ)上，利用已建立的南京長江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)，將HHT應(yīng)用于橋梁監(jiān)測信號(hào)的分析與處理中，并對時(shí)變結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)識(shí)別問題進(jìn)行了研究。通過對實(shí)測結(jié)構(gòu)

2、響應(yīng)進(jìn)行更客觀、有效、科學(xué)的分析和處理，探索橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非平穩(wěn)響應(yīng)的內(nèi)在機(jī)理。 論文的主要研究內(nèi)容如下： (1)提出了一種新的端點(diǎn)效應(yīng)抑制方法——極值平移法，并將HHT與小波變換、Fourier變換進(jìn)行了對比分析。端點(diǎn)效應(yīng)是應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(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(hào)端點(diǎn)及其附近極值的特征作為延拓依據(jù)，分別在信號(hào)兩端各添加四個(gè)平移極值點(diǎn)，以此達(dá)到抑制端點(diǎn)發(fā)散的目的。實(shí)測響應(yīng)的

3、分解結(jié)果表明該方法計(jì)算效率高，可有效地減輕端點(diǎn)效應(yīng)對EMD的影響；對比分析結(jié)果表明HHT在處理非線性、非平穩(wěn)信號(hào)方面具有明顯的優(yōu)勢。 (2)提出了一種消除橋梁響應(yīng)信號(hào)中存在的短時(shí)強(qiáng)噪聲干擾的方法。根據(jù)短時(shí)強(qiáng)噪聲干擾會(huì)導(dǎo)致瞬時(shí)振幅和瞬時(shí)頻率表現(xiàn)出明顯異常的特點(diǎn)，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(yīng)的IMF得到凈化。數(shù)值仿真和南京長江大橋?qū)崪y數(shù)據(jù)的處理結(jié)果表明了該方法的良好效果。 (3)將EMD用于橋梁監(jiān)測信號(hào)的

4、趨勢分析中，尋求火車激勵(lì)下橋梁復(fù)雜響應(yīng)的構(gòu)成機(jī)理。首先，計(jì)算橋梁在一定加載模式下的位移和應(yīng)力響應(yīng)。然后，用EMD把響應(yīng)分離成不含趨勢項(xiàng)的振動(dòng)分量和趨勢項(xiàng)，研究各分量對應(yīng)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(shí)測數(shù)據(jù)對響應(yīng)構(gòu)成機(jī)理進(jìn)行了探討。研究成果可應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測和狀態(tài)評(píng)估的實(shí)際工程中。 (4)提出了一種識(shí)別時(shí)變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的方法。推導(dǎo)出了利用時(shí)變單自由度結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)識(shí)別模態(tài)參數(shù)的理論表達(dá)式。然后根據(jù)EMD優(yōu)

5、良的模態(tài)濾波性能，將該方法擴(kuò)展到時(shí)變多自由度結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)識(shí)別中。通過對時(shí)變多自由度結(jié)構(gòu)的響應(yīng)進(jìn)行處理，從中分離出對應(yīng)結(jié)構(gòu)單階模態(tài)的瞬態(tài)響應(yīng)。仿真算例表明了該方法的良好識(shí)別效果。 (5)自行設(shè)計(jì)一時(shí)變結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，對本文提出的時(shí)變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法作進(jìn)一步的研究。實(shí)驗(yàn)對象為一懸臂梁結(jié)構(gòu)，通過振動(dòng)時(shí)改變梁的附加質(zhì)量和剛度的大小來實(shí)現(xiàn)質(zhì)量連續(xù)變化、剛度連續(xù)變化和剛度突變?nèi)N時(shí)變結(jié)構(gòu)，利用梁上測點(diǎn)的自由振動(dòng)加速度響應(yīng)識(shí)別結(jié)構(gòu)時(shí)變的模態(tài)參