混凝土斜拉橋的模態(tài)參數(shù)識別與模型修正.pdf

1、基于結構動力特性變化的大跨橋梁結構損傷診斷研究越來越受到人們的關注，而大跨混凝土斜拉橋結構的模態(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極為復雜的問題。本文以惠州合生大橋為原型，面向健康診斷設計制作了1∶15的大比例混凝土斜拉橋試驗模型，對面向健康診斷的斜拉橋模型設計、斜拉橋模態(tài)試驗與模態(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

2、計進行了研究
　　以廣東惠州合生大橋為原型，面向健康診斷設計制作了1∶15的大比例混凝土斜拉橋模型，針對模型設計過程中的困難，提出在滿足制作條件的前提下，對模型橋主梁和主塔的設計應主要滿足抗彎剛度相似的要求，放松對軸向剛度和扭轉剛度等參數(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力特性及損傷特性進行了分析，分析結果表明模型橋和原型橋的靜動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、型設計提供參考。
　　(2)采用錘擊法和環(huán)境激勵法對模型橋進行了模態(tài)試驗和模態(tài)參數(shù)識別研究
　　采用特征系統(tǒng)實現(xiàn)算法(ERA)對錘擊法模態(tài)試驗數(shù)據(jù)進行了模態(tài)參數(shù)識別，得到了模型橋的前21階模態(tài)參數(shù);采用隨機減量法結合ERA法對環(huán)境激勵法模態(tài)試驗數(shù)據(jù)進行了模態(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測地脈動非白噪聲信號作為激勵信號，對梁殼有限元模型進行了時程響應分析，對兩種激勵下的響應信號進行模態(tài)參數(shù)識別，

4、將識別結果進行對比可見，非白噪聲激勵可使模態(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)剔除提供一個虛假模態(tài)可能出現(xiàn)的范圍，另外，非白噪聲激勵可降低模態(tài)頻率和模態(tài)振型的識別精度。提出了以精細有限元預分析結果為先驗知識參考，將穩(wěn)定圖法、實測激勵信號及信噪比高的測點信號的頻譜分析結果相結合進行定階和虛假模態(tài)剔除的方法，實踐表明，該方法能夠準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)境激勵試驗模態(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法的噪聲模擬兩個方面對錘擊法和環(huán)境激勵法模態(tài)參數(shù)識別的不確定性進行了分析。結果表明: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)境激勵法模態(tài)參數(shù)的統(tǒng)計不確定區(qū)間，為模型修正、損傷識別等研究提供基礎數(shù)據(jù)。
　　(

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

7、混凝土微裂縫或裂縫的存在，結構的振動幅值大小可能會對主梁和主塔構件的截面剛度產(chǎn)生影響，振動幅值越大結構的剛度越低。
　　(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)和目標函數(shù)分類的改進的模型修正技術，該模型修正技術通過靈敏度分析對修正參數(shù)和目標函數(shù)進行優(yōu)選和分類、排序，逐級進行模型修正。結果表明，改進的模型修正技術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)的模型修正結果。分別采用單

8、主梁模式、三主梁模式、梁殼模式和實體模式建立了模型斜拉橋的初始有限元模型，采用改進的模型修正技術對各種初始有限元模型進行了模型修正，將修正前后的動力特性計算值與實測數(shù)據(jù)進行了對比，討論了不同模式建模方法的計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問題。結果表明，初始有限元模型計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，單主梁模型無法準確模擬∏形主梁斜拉橋的扭轉特性，應根據(jù)不同的結構特點和