基于EEMD-小波阈值去噪的桥梁结构模态参数识别

为研究环境激励下大跨径桥梁结构振动响应特性,采用拾振器监测结构动态变形.针对监测信号中的噪声影响,提出EEMD-小波阈值联合滤波方法来提升信号精度.首先,利用EEMD算法对信号进行分解,基于平均周期图法和相关系数法双重判定准则剔除虚假分量,然后,结合小波阈值去噪方法对重构信号进行二次降噪,再利用RDT-ITD法识别结构模态参数.将滤波降噪和模态识别方法应用于天津永和桥实测振动响应分析中,并结合有限元分析结果进行对比.结果表明:EEMD-小波阈值联合滤波方法优于应用单一方法,能进一步提升信号精度;信号降噪后,利用RDT-ITD方法成功提取了结构前3阶竖向自振频率和相应阻尼比;识别的结构自振频率值与有限元分析结果基本一致,基频值相差3.07%.     

模态分解法辨识线性结构在环境激励下的模态参数

根据线性结构中白噪声响应之间的相关函数与脉冲响应函数具有相同的数学表达式的特点,用模态分解法把相关函数分解为不同频率的信号,然后把各个不同频率的信号看作单自由度系统脉冲响应进行模态参数辨识。该方法的最大优点是：（1）把多自由度系统的模态参数辨识问题转变为单自由度系统的模态参数辨识问题;（2）不存在模型阶数的选取问题;（3）对输出噪声具有鲁棒性;（4）从测试数据中直接识别实模态,避免了由复模态提取实模态问题;（5）仅根据一个测点的响应信号就可辨识结构的频率和阻尼。算例表明,用模态分解法辨识线性结构在环境激励下的模态参数是成功的。     

基于小波阈值降噪的既有砌体承重墙基本频率识别

识别既有砌体承重墙的基本频率对结构安全性评估有重要意义.为了降低噪声对动力测试信号和基本频率识别结果的不利影响,首先通过人工带噪信号分析获得小波阈值降噪方法的优化参数,再通过拟静力试验在墙体模型中实现不同的损伤,通过环境激励获取加速度信号.分别基于原始加速度信号和小波阈值降噪处理后的加速度信号,获得功率谱密度函数,再运用峰值点法识别基本频率.结果表明,采用优化参数进行小波阈值降噪后,基本频率识别结果的变异性更小.所采用的方法可通过降低噪声影响来提高带损伤砌体承重墙的基本频率识别效率,为既有砌体结构安全性评定提供基础数据.     

基于时频分析与神经网络的桥梁冲刷动力评估

桥梁基础水文作用是引起桥梁结构功能及安全性能失效的首要原因,而桥梁冲刷又是水文作用最主要的表现形式.依托舟山大陆连岛工程金塘大桥主通航孔桥,提出一种基于时频分析与神经网络的桥梁冲刷动力评估方法.首先,利用白噪声地震波模拟环境振动激励,采用动力时程分析法模拟环境激励下的上部结构振动,并获得其加速度响应,同时在振动过程中实时模拟基础冲刷深度的连续发展,进行环境振动激励下桥梁模态参数与冲刷发展的关联性分析,研究该方法的识别敏感性.进而,利用数值动力参数分析研究上部结构既有局部损伤多种组合形式对桥梁结构模态参数的扰动程度,以确定非冲刷损伤形式对桥梁冲刷动力评估方法准确性的干扰.最后,以模态分析中的低阶模态参数作为样本输入,以冲刷深度与墩位的不同组合作为样本输出,建立BP神经网络,实现桥梁冲刷深度与墩位的同步评估.研究结果表明:利用自振频率构建的动力指纹对冲刷发展较为敏感;该方法无论对冲刷深度还是冲刷墩位均具有较高的识别准确度,且可忽略有限局部损伤对识别准确性的干扰.该方法不需要水下操作,不需要昂贵的测试设备,仅需要加速度传感器以及数据采集装置,便于融入常规桥梁检测项目中.     

基于HVD和RDT的工作模态识别

应用希尔伯特振动分解(HVD)和随机减量技术(RDT)建立了环境激励下结构工作模态参数的识别方法。基于环境激励下结构的单点振动响应信号作为分析信号,应用希尔伯特振动分解将分析信号分解为若干个包含结构模态信息的信号,再利用随机减量技术提取自由衰减信号,应用最小二乘复指数法获得各阶模态频率和阻尼比。应用该方法对5自由度剪切模型以及12层混凝土框架地震台模型的顶点地震响应作为分析信号进行了结构工作模态参数的识别,并将识别结果与其他方法识别结果进行对比。结果表明该方法识别模态频率是可靠的;对平稳结构响应信号模态阻尼比的识别有好的精度,而对非平稳响应信号有较满意的精度。     

融合无人机线型测量与振动测试的桥梁状态评估

基于无人机摄影测量及随机振动测试的方法，探索在不封闭交通条件下进行桥梁状态评估的方法. 以长沙市某大桥为例，通过采用结构识别理论与无人机倾斜摄影技术分别对桥梁线型、桥梁病害、动力特性进行研究.利用无人机三维倾斜摄影技术重建目标桥梁三维实景模型并通过点云模型提取桥梁线型，将无人机测量线型与水准测量线型以及设计线型进行对比，研究发现线型差值的平均值为0.034?m，平均相对挠度值为L/12705（L为桥梁跨度），标准差为0.035?m，两者结果较为接近，验证了无人机测量桥梁线型的可靠性，也验证了运营桥梁期间外观尺寸无显著改变. 利用小型无人机技术对目标桥梁辅助进行外观质量调查，调查桥墩病害和支座损伤特征，结果表明桥梁无结构性损伤. 通过对结构进行环境振动测试，以行车、风等荷载作为激励，利用复模态指示函数（Complex Modal Indicator Function，CMIF）法捕捉结构模态参数（频率、振型、阻尼比），对比10?年前历史基线模态数据并综合考虑环境温度影响，判断该桥结构刚度无明显下降. 研究表明采用“无人机三维建模线型测量+无人机病害调查+随机振动测试”的桥梁健康状态的综合评估技术具有可行性、经济性及实用性.     

基于流固耦合的弹性水翼流致噪声数值分析

针对弹性水翼在流体作用下变形较大的特点,采用计算流体动力学(CFD)方法计算水动力载荷,采用有限元法计算结构响应,建立了双向流固耦合计算方法.在计及结构变形的情况下计算得到了NACA66mod型水翼的稳态流场和压力脉动,发现水翼在雷诺数为7.5×10~5,攻角4°~6°之间发生转捩现象.基于得到的脉动压力,结合模态叠加法和声学边界元法,建立了流致噪声计算方法.数值计算结果表明:在转捩发生后,流致噪声主频处峰值降低;雷诺数每增加1.5×10~5,各成分的声压级增幅约为3dB,主频增幅约为25 Hz;流噪声由压力脉动决定,振动噪声由结构固有特性和激励力共同决定;对于总声压级,水翼流噪声较其自身振动噪声大,振动噪声在近壁面处衰减较快,而流噪声在远场衰减较快.     

基于WPD-LMD和排列熵的结构损伤识别方法

为了直接从结构响应提取损伤敏感参数,对激励未知情况下的结构损伤模式进行识别,提出了基于小波包分解-局部均值分解方法(wavelet packet decomposition-local mean decomposition,WPD-LMD)和排列熵的结构损伤检测方法.该方法首先对结构振动响应进行小波包分解,将振动信号分解为一系列窄带信号,然后对窄带信号进行局部均值分解,能有效提取低能量分量.通过计算损伤前后分量信号的排列熵,对结构损伤进行了检测,最后通过计算测试数据和样本数据之间的相对排列熵,对损伤模式进行了识别.实验分析结果表明,所提出的方法能有效地对结构损伤进行识别.     

高速列车车内“声振”特性试验

为分析高速列车车内低频噪声主要来源,利用振动声辐射理论研究了车内声场特性与内饰板振动的关系.实验室半实物试验结果表明,内饰板振动和车内声场耦合响应特性在空气声和结构声传播过程中具有普遍适用性.应用该方法对某高速列车不同速度级、明线和隧道运行条件下的车内噪声特性进行分析.结果表明,列车运行速度越高,内饰板低频振动幅值增加越显著,这导致车内低频噪声的峰值更加突出.对于350km·h~(-1)速度工况,明线工况的低频噪声峰值主要来源于地板结构声辐射,而隧道环境下的噪声增加主要来源于侧墙和车顶结构的声辐射,并对各面板贡献度进行了定量化计算.最后,用工况噪声传递路径分析(OTPA)方法开展了噪声源贡献度定量化计算,结果表明,气动噪声所占比重最大,但振动激励的总和达60%,尤其是160Hz的峰值频率处,风机振动激励的贡献度最大.     

自适应扫频随机共振方法的研究

针对大参数信号二次采样随机共振应用的局限性,提出了自适应扫频随机共振方法.该方法根据信号、噪声和系统三者协调作用发生随机共振时的关系,自动调整采样频率和双稳系统的结构参数,从而自动获取随机共振状态.将此方法应用于实际噪声下弱信号的提取,取得了较好的结果.     

环境激励下人行桥振动时频分析

为研究人行桥在不同环境激励下的振动响应规律,采用Hilbert-Huang变换对某人行桥在噪声激励、车辆荷载、行人荷载以及车辆-行人荷载耦合激励条件下的加速度响应进行分析。结果表明：噪声激励、车辆荷载、人行荷载、车辆-行人耦合激励条件下人行桥的加速度响应幅值逐渐增大,脉冲指标呈逐渐增加的趋势,功率谱幅值不断向高频段偏移。四种激励下,人行桥的加速度响应经过EMD分解后的前五阶IMF的方差贡献率及相关系数较大,且瞬时振幅和瞬时频率呈减小趋势;其能量分布随加速度幅值的增大逐渐增大,车辆荷载作用下其能量熵值最小,能量分布相对均匀。Hilbert-Huang变换对处理复杂环境激励下的桥梁振动响应具有较好的识别效果,本文的分析过程可为同类振动信号处理所借鉴。     

道路交通引起城市人行钢桥振动特性分析

为了研究道路交通引起的城市人行钢桥振动特性,基于线性动力学理论,采用MSC.MARC建立全桥三维模型进行瞬态动力分析.通过对人行钢桥简化模型的动力求解,拟合出动力变化系数与频率比关系曲线,并对道路交通荷载引起的人行桥振动问题进行理论分析.按照实际人群密度和实测道路交通荷载激励分别计算了人行钢桥的动力响应.分析结果表明,在道路交通荷载激励下人行桥上部结构的振动较大,对于自振频率较高的城市人行钢桥,道路交通荷载对人行桥振动的影响更为明显,城市人行桥振动控制应当考虑综合激励环境下的影响.     

环境激励下湘潭莲城大桥模态参数识别研究

对环境激励下结构模态参数识别进行了理论分析和试验研究.基于随机振动理论阐述了峰值拾取法的基本原理和方法,并提出了虚拟响应的概念.从湘潭莲城大桥在环境激励下的加速度测试信号中提取高信噪比的虚拟响应信号,根据峰值拾取法对虚拟响应信号进行频域分析,识别了该桥主跨结构的固有频率、阻尼比和振型等模态参数.试验模态参数与理论模态参数基本吻合,验证了识别结果的可靠性.模态置信矩阵表明,结构的线性响应特性明显,竖向振动具有良好的正交特性.     

水电站厂房结构模态参数的遗传识别方法

环境激励下结构模态参数的时域识别方法是近年来的研究热点,水电站厂房结构一般规模巨大,常规的激励方式会对结构产生不良影响．此外,由于噪声的干扰往往产生众多虚假模态．由于机组停机过程中环境激励响应较易获得,提出一种基于遗传算法的结构模态参数识别方法,采用多信号分类法进行信号定阶．运用该方法通过模拟信号对其进行验证．并将其应用到水电站厂房结构的模态参数识别中．结果表明,该方法能够有效准确地识别出结构的自振频率和阻尼比．     

基于环境激励的工作模态参数识别

根据环境激励具有随机怀以及线性系统在环境激励下各输出点响应之间的相关函数与系统的脉冲响应函数具有相同的数学表达式等特点,给出了在线模态参数识别的理论,并提出了仅根据环境激励响应识别模态参数的新方法,该方法简单实用,不仅能在线识别参数,而且对单输入和多输入均适用,数值算例表明,该方法不仅能识别稀疏模态,而且也能识别密集模态,是一个有效的在线模态参数识别方法且具有鲁棒性。     

不中断运营的既有桥梁模态参数识别

为了在不中断桥梁运营的前提下使结构模态参数识别结果更精确,采用随机子空间方法对汽车荷载和环境激励共同作用下的不中断运营的桥梁结构进行模态参数识别研究,并采用一三跨连续梁的有限元模型进行了验证。结果表明,随机子空间方法可以识别汽车、环境共同作用下的桥梁结构模态参数识别,可以有效地识别环境激励下的不中断运营的桥梁结构的模态参数,拓展了随机子空间方法适用范围。     

Cross spectral energy method for damage assessment of the cable-stayed bridge under operational conditions

The new cross spectral energy method （CSEM） is proposed for maintaining cable-stayed bridge safety by the measurable output-only vibration response. Damage assessment of real structures is limited by a series of problems such as unknown ambient excitation forces, errors introduced by system identification, incomplete dynamic measurements, etc. Thus the methodology based on cross spectral energy of each substructure member is derived to meet these challenges. The novel damage index does not require any modal or parameter identification technology. It can be calculated directly from vibration test data. In order to evaluate the efficiency of the presented methodology, a three dimensional （3D） actual cable-stayed bridge model .with one or more damaged positions under operational conditions was studied. In order to testify the reliability of damage detection method, the response data was polluted by the random noise. It is proved that the proposed method can successfully localize all damage cases even in noisy data. With the help of examples, the CSEM can potentially be applied as a nondestructive evaluation technique （NDT） for on-line health monitoring of cable-stayed bridges with minimum disruption of its operations.     

Identification of Modal Parameters with Linear Structure under Non-stationary Ambient Excitation

Empirical mode decomposition (EMD) is proposed to identify linear structure under non-stationary excitation,and non-white noise coefficient is introduced under the assumption of random signals consisting of white noise and non-white noise signals. The cross-correlation function of resoonse signal is decomoosed into mode functions and residue by EMD method. The identification technique of the modal parameters of single freedom degree is applied to each mode function to obtain natural frequencies, damping ratios and mode shapes. The results of identification of the five-degree freedom linear system demonstrate that the proposed method is effective in identifying the parameters of linear structures under non-stationary ambient excitation.     

Modal Parameter Identification of Offshore Platforms under Ambient Excitation

This paper intends to identify the modal parameters of an offshore platform under ambient excitation, and to compare the identified results with theoretical solutions. Using ambient sources of excitation to determine the modal characteristics of large civil engineering structures is desirable for several reasons. The forced vibration testing of such structures generally requires a large amount of specialized equipment and makes the tests quite expensive. Also, an automated health monitoring system for a large civil structure will most likely use ambient excitation. The Eigensystem Realization Algorithm (ERA) is applied in conjunction with the common basis-normalized system identification (CBSI) to identify structural modal parameters (natural frequency, damp ratio, mode shape), with limited acceleration information. Finally,offshore platform numerical model gets output response data under ambient excitation. Simulated data from numerical model of an offshore platform under ambient excitation is used for the identification of the system. According to the comparison results, the proposed method is shown to be effective for modal parameter identification under ambient excitation.     

滤波白噪声路面时域模拟方法与悬架性能仿真

为合理模拟路面时域模型,通过路面不平度空间功率谱密度分析路面频域模型,并由路面频域模型推导路面时域模型的滤波白噪声数值模拟方法.提出了采用滤波白噪声方法模拟路面时域模型时,改变仿真车速的同时需调整白噪声采样频率使之与车速相配.通过分析生成的路面时域模型的空间功率谱密度,验证了路面时域模型的准确性.比较只改变车速和所提出的改变车速并调整相应白噪声采样频率模拟的路面时域模型的高度历程、频谱和空间功率谱密度,得到了后者模拟方法更符合标准等级路面的结论.并通过仿真,分析比较了某1/4车辆悬架模型在不同方法生成的路面时域模型输入下的系统响应精确性,体现了所提方法的重要性.