基于新型信号处理技术的时变桥梁结构瞬时频率识别研究

发布时间：2020-04-08 12:49

【摘要】：桥梁结构在服役期间产生的响应信号不仅是时变和非平稳的,更具有模态密集性。然而,现有的时变结构参数识别方法大都是时不变结构的相关概念基于“冻结时间”思想的推广,忽略了系统参数随时间变化(变化速率)的影响。不仅如此,桥梁结构产生的密集信号也使得传统的信号分析方法在应用时遇到了很大的困难。为此,本文针对桥梁结构中存在的时变、非渐进和密集模态响应信号,在现有信号处理方法上进行改进,提出了多种适用于桥梁结构响应信号的改进模态参数识别方法,并通过多个数值算例与时变结构试验验证了所提出方法的有效性和准确性。本论文的主要研究内容与创新之处如下:(1)将变分模态分解方法引入土木工程领域以解决同步挤压小波变换无法准确识别频率相近多分量模态信号的缺陷,由此发展了了变分模态分解和同步挤压小波变换相结合的瞬时频率识别方法,同时通过数值算例和一个时变拉索试验验证了该方法的准确性和有效性。(2)针对标准同步挤压小波变换算法在T间尺度上的扩散问题,提出一种能同时提高时域和频域精度的改进同步挤压小波变换方法。通过引入解析模态分解定理和递归希尔伯特变换以提高该算法识别非渐进、密集模态响应信号的能力,然后通过对信号局部区域而非整个时频区域的小波系数进行挤压从而提高了瞬时频率识别结果的时频精度。最后通过设计一个悬臂梁质量突变试验验证该方法的有效性。(3)提出改进反余弦算法。改进反余弦算法摒弃以往通过希尔伯特变换构造解析信号求瞬时频率的做法,转而通过对时间轴进行分段并求反余弦函数,从而得到结构响应信号的瞬时相位,最后通过瞬时频率的定义求解瞬时频率。
【图文】：

阳明,红泥,石拱桥,振动结构

年的重庆红泥石拱桥由于超载现象频发从而导致发生桥梁的主跨垮塌；２０１２年逡逑哈尔滨阳明滩大桥因大货车严重超载引桥发生了匝道倾覆、车辆翻落地面的严重逡逑事故等。图１－１为近年来几座发生严重事故的桥梁。随着一大批结构更为复杂、逡逑跨度更长的桥梁不断建成，如何有效地评判结构在服役期间的可靠性并对未来可逡逑能发生的结构破坏进行及时预警，已经成为了国际上土木工程领域的热点研宄方逡逑向［２１。而工作状态下的桥梁结构参数识别结果无疑能对结构状态的评判提供指导逡逑性的建议，从而为保障结构的安全性、完整性、适用性和耐久性并减少重大经济逡逑损失，避免灾难性悲剧发生。逡逑服役期间桥梁结构的响应信号本质上是时变和非稳态的［３１。如列车通过桥梁逡逑时，列车和桥梁组成一个新的具有移动质量的系统，系统的质量分布和刚度分布逡逑随列车位置的移动而不断发生变化；风与车辆等变化荷载引起斜拉桥的索力变化，逡逑导致拉索刚度的时变；桥梁结构长期运营过程中发生累积损伤导致刚度退化等，逡逑均会异致结构特征参数随T间变化。在过去很长的一段时间里

波形图,分量信号,时域,噪声水平

，，，逡逑噪声强度Ｅｔ丨信噪比（ＳｉｇｎａｌＮｏｉｓｅ邋Ｒａｔｉｏ，邋ＳＮＲ）定义，如式（２－４）所Ｗ。逡逑ＳＮＲ邋＝邋１０１ｏｇ１０＾＾邋（单位：ｄＢ）逦（２－４）逡逑Ａｎｏｉｓｅ逡逑式中，‘ｇｎａｉ和分别代表信号和噪声的均方根值，噪声水平是指＜—与逡逑４ｉｇｎａｉ之间的比值。当施加的噪声水平为２０％T，ＳＮＲ＝７ｄＢ。逡逑添加２０％噪声水平后的多分量调频信号如图２－２所示。对多分Ｍ模拟信号逡逑ｘ（ｔ）进行ＥＭＤ分解，共得到１０个ＩＭＦ分量。为简单起见，图２－３中只给出了逡逑前两阶ＩＭＦ分量的波形图，并将其与理论分Ｍ进行对比。从图２－３（ａ）中可以看出，逡逑经过ＥＭＤ分解得到的第一个丨ＭＦ分量的变化趋势与理论值基本吻合，但分解精逡逑度较差。不仅如此，噪声的存在也使得ＩＭＦ分摄？在多处出现毛刺。值得注意的逡逑是，第二个ＩＭＦ分量是根据式（２－２）对扣除第一个ＩＭＦ分量后的差值函数／７｜进行逡逑筛分取得。因此，第一个ＩＭＦ分量的识别误差必然影响到第二个ＩＭＦ分量的识逡逑另ＩＪ。图２－３（ｂ）中所示的第二个丨ＭＦ分Ｉｔ识别值与理论值存在的较大偏差也证明了逡逑ＥＭＤ并不适用于密集模态多分量信号的分解。逡逑
【学位授予单位】：福建农林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U446

【参考文献】