基于SHMS的大跨度悬索桥模态参数识别及有限元模型修正

发布时间：2017-08-29 21:16

  本文关键词：基于SHMS的大跨度悬索桥模态参数识别及有限元模型修正

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【摘要】：桥梁结构的模态参数识别和有限元模型修正均是大跨度桥梁结构健康监测领域的主要研究热点,准确识别结构模态参数、修正对应的有限元模型可为桥梁结构状态评估、损伤识别及养护维修奠定基础,为同类桥梁的合理设计、施工及养护等提供参考。本文以润扬悬索桥为工程背景,紧紧围绕大跨度悬索桥模态参数识别和有限元模型修正两个热点问题,利用该桥结构健康监测系统(SHMS)实测的台风期间风数据及结构振动数据,开展基于SHMS的大跨度悬索桥模态参数识别及有限元模型修正研究。主要研究内容包括：(1)润扬悬索桥桥址区实测台风非平稳风特性分析。依托于该桥SHMS记录的实测风速、风向数据,以“麦莎”和“韦帕”台风为研究对象,分别基于平稳和非平稳风速模型得到了对应的平均风速、紊流强度、紊流积分尺度和紊流功率谱密度等风特性,并将两种模型的计算结果进行对比。研究结果表明,台风期间实测风速表现出明显的非平稳特性,此时非平稳风速模型在刻画风特性时具有更好的适用性。(2)基于三类典型方法的大跨度悬索桥模态参数识别对比研究。利用润扬悬索桥SHMS采集的台风期间的主梁振动数据,分别采用平均正则化功率谱方法(ANPSD)、随机子空间法(SSI)和希尔伯特黄变换法(HHT)识别大桥主梁模态参数,并将识别结果进行对比分析,以评判三种方法对该桥进行模态参数识别的适用性。研究结果表明,台风期间主梁实测加速度响应表现出明显的非平稳特性,HHT方法适用于非平稳信号的处理,且就本案例而言,基于该方法识别的模态参数更为准确。因而,选用HHT方法作为后续研究中模态参数识别的主要方法。(3)大跨度悬索桥模态参数与监测环境因素的关系模型研究。在已获得台风期间润扬悬索桥主梁模态参数和相应风速、温度的基础上,利用非线性主成分分析(NLPCA)对其进行预处理,从而建立了环境主成分与模态参数间的人工神经网络模型,并分析了实测模态参数与人工神经网络拟合值之间残差的分布模式,以验证该人工神经网络模型的准确性。最后,依据该人工神经网络非线性预测模型,得到消除环境因素影响的模态参数。研究结果为润扬悬索桥有限元模型修正奠定了基础。(4)基于相关向量机-马尔可夫链蒙特卡洛模拟(RVM-MCMC)方法的大跨度悬索桥有限元模型修正。在润扬悬索桥初始有限元模型的基础上,利用拉丁超立方抽样得到试验样本,并利用基于稀疏贝叶斯理论的相关向量机回归算法得到该桥的动力响应面模型。结合大桥SHMS和现场实测得到的结构模态参数,基于MCMC方法对该桥初始有限元模型进行修正,通过模型修正前后计算与实测结果的对比,验证了该模型修正方法的可靠性。研究结果可为类似大跨度桥梁的有限元模型修正及损伤识别提供参考。
【关键词】：大跨度悬索桥 结构健康监测系统 非平稳风特性 模态参数 监测环境因素 有限元模型修正
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U448.25
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-27
• 1.1 本课题研究背景及意义11-13
• 1.2 大跨度桥梁桥址区实测强台风特性研究现状13-15
• 1.3 大跨度桥梁模态参数识别研究现状15-17
• 1.3.1 模态参数识别方法15-16
• 1.3.2 环境因素对桥梁结构模态参数的影响16-17
• 1.4 大跨度桥梁非确定有限元模型修正研究进展17-21
• 1.4.1 随机有限元模型修正方法18
• 1.4.2 基于贝叶斯理论的有限元模型修正方法18-19
• 1.4.3 基于动力响应面的有限元模型修正方法19-21
• 1.5 本文的主要工作21-22
• 参考文献22-27
• 第二章 润扬悬索桥桥址区实测台风非平稳风特性分析27-41
• 2.1 引言27-28
• 2.2 润扬悬索桥风速仪布置及实测台风数据28-29
• 2.3 基于DWT的非平稳风特性分析方法29-30
• 2.3.1 平稳及非平稳风速模型29-30
• 2.3.2 基于DWT的非平稳风速时变均值提取30
• 2.4 实测台风非平稳特性及分析30-38
• 2.4.1 平均风特性30-34
• 2.4.2 紊流强度34-35
• 2.4.3 紊流积分尺度35-37
• 2.4.4 功率谱密度37-38
• 2.5 本章小结38-39
• 参考文献39-41
• 第三章 基于三类典型方法的大跨度悬索桥模态参数识别对比研究41-67
• 3.1 引言41-42
• 3.2 润扬悬索桥主梁振动监测42-43
• 3.3 实测加速度响应的非平稳特性研究43
• 3.4 基于ANPSD的润扬悬索桥模态参数识别43-50
• 3.4.1 主梁加速度响应功率谱密度初步分析43-45
• 3.4.2 正则化功率谱密度45-47
• 3.4.3 基于ANPSD的润扬悬索桥模态参数识别47-50
• 3.5 基于SSI-DATA的润扬悬索桥模态参数识别50-55
• 3.5.1 系统随机状态空间模型50
• 3.5.2 随机子空间模态识别50-53
• 3.5.3 基于SSI的润扬悬索桥模态参数识别53-55
• 3.6 基于HHT的润扬悬索桥模态参数识别55-61
• 3.6.1 基于HHT的模态参数识别基本理论55
• 3.6.2 润扬悬索桥模态参数识别55-59
• 3.6.3 主梁不同测点模态参数识别结果的对比59-61
• 3.7 基于ANPSD/SSI/HHT的模态参数识别结果对比分析61-62
• 3.8 台风期间润扬悬索桥模态参数时变特性初步分析62-63
• 3.9 本章小结63-64
• 参考文献64-67
• 第四章 大跨度悬索桥模态参数与监测环境因素的关系模型研究67-87
• 4.1 引言67
• 4.2 PCA与NLPCA的基本原理67-70
• 4.2.1 PCA67-68
• 4.2.2 NLPCA68-70
• 4.3 润扬悬索桥实测模态参数及台风环境因素的统计分析70-75
• 4.3.1 桥址区台风环境因素监测70-72
• 4.3.2 润扬悬索桥模态参数统计分析72-73
• 4.3.3 模态参数与台风环境因素的相关性初步分析73-75
• 4.4 润扬悬索桥实测模态参数及台风环境因素非线性主成分分析75-77
• 4.4.1 台风环境因素的非线性主成分分析75-76
• 4.4.2 模态参数的非线性主成分分析76-77
• 4.5 润扬悬索桥实测模态参数与台风环境因素的关系模型77-85
• 4.5.1 线性回归模型及其拟合残差分析77-80
• 4.5.2 基于NLPCA的ANN模型及拟合残差分析80-84
• 4.5.3 台风环境因素影响下模态参数的修正84-85
• 4.6 本章小结85
• 参考文献85-87
• 第五章 基于RVM-MCMC方法的大跨度悬索桥有限元模型修正87-107
• 5.1 引言87
• 5.2 基于RVM-MCMC的有限元模型修正基础理论87-91
• 5.2.1 基于MCMC的有限元模型修正87-90
• 5.2.2 相关向量机回归算法90-91
• 5.3 润扬悬索桥初始有限元模型及修正目标参数91-95
• 5.3.1 润扬悬索桥简介91-92
• 5.3.2 润扬悬索桥ANSYS建模92-95
• 5.4 润扬悬索桥初始有限元模型动力特性分析95-96
• 5.5 基于RVM的润扬悬索桥动力响应面拟合96-99
• 5.5.1 待修正参数的选择96-97
• 5.5.2 基于RVM的动力响应面回归精度影响因素分析97-99
• 5.6 基于RVM-MCMC方法的润扬悬索桥有限元模型修正99-104
• 5.6.1 数值算例99-100
• 5.6.2 润扬悬索桥有限元模型修正100-104
• 5.7 本章小结104-105
• 参考文献105-107
• 第六章 结论与展望107-110
• 6.1 主要工作及结论107-108
• 6.2 研究展望108-110
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果110-111
• 致谢111

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