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原文传递基于贝叶斯推断的桥梁参数不确定性量化研究

论文题名：	基于贝叶斯推断的桥梁参数不确定性量化研究
关键词：	桥梁参数;环境振动;参数识别;不确定性量化;误差传递
摘要：	桥梁结构总是不同程度地不可避免的存在各种各样的误差，如构件几何容差、测试误差等，这些误差可能会导致对结构认知及评价偏离结构的固有特性，产生不可预知性，进而影响到对整个结构可靠性和安全性评估。因此，桥梁结构参数的不确定性量化至关重要。　　环境振动测试是一种备受关注的结构健康监测手段，相较于传统的振动测试及模态参数识别方法，此方法测试费用少，效率高、操作方便快捷、并且测试过程不会对结构造成损害且可以不中断结构的正常使用，同时较为符合结构的实际运营情况。但是,现有的基于环境振动测试的模态参数识别方法大部分只能得到结构基本模态参数（振型、阻尼和固有频率）,无法识别出深层次模态参数及量化参数的不确定性，不能有效的支撑桥梁结构的安全决策以及维护管理。基于此等现状,识别出桥梁结构的深层次模态参数及不确定性至关重要。本论文将研究重点放在了从环境振动测试中识别结构振型缩放系数、质量归一化振型、位移柔度矩阵和挠度等更为深层次的参数以及这些参数的协方差矩阵，以对其进行不确定性量化,主要内容以及创新点如下: 　　（1）对结构的模态参数识别方法进行了详细介绍，从频响函数出发详细的推导了快速贝叶斯FFT变换的模态参数识别方法，并将原本用于加速度响应的分析方法拓展至了位移响应及速度响应数据，因此可应用于先进的监测系统，如使用微波雷达及光学测量所得结构响应的计算分析之中。　　（2）基于快速贝叶斯方法FFT变换的基本模态参数识别方法，利用质量改变方法，严格推导了仅利用环境振动测试数据求解结构的深层次模态参数的不确定性的理论公式。通过数值试验验证了所提出的基于快速贝叶斯和质量改变方法的识别桥梁结构的深模态参数并量化参数不确定性的方法。解决了仅利用输出响应的振动测试方法只能识别得到工程结构基本动力特性参数、不能有效支撑结构性能评估的问题。　　（3）基于车桥耦合模型的动力学方程，根据概率统计及矩阵论的知识，严格的推导了时变系统下桥梁结构的深层次模态参数，包括振型缩放系数、质量归一化振型、位移柔度矩阵及预测挠度的误差传递公式。　　（4）基于同步提取变换及变分贝叶斯理论，详细推导了移动弹簧质量模型下，求解桥梁结构的深层次参数及量化不确定性的方法。所提议方法使用行车通过桥梁阶段的桥梁响应数据用于识别系统的深层次的模态参数及其不确定性。通过数值试验案例进行了验证。　　（5）通过苏通长江大桥现场振动测试对所提方法进行了验证，既识别了基本模态参数（固有频率、振型等），还识别了深层次的模态参数（柔度、挠度等），识别结果符合预期，预测挠度与GPS测量值一致且GPS值位于预测挠度的置信区间之内，证明了所提议方法的有效性与可行性。本方法除了具有操作便捷、效率高及成本低的优点外，运用了贝叶斯方法，理论严谨规范，能够获得位移柔度和预测挠度的置信区间，可以更有效支撑状态评估。根据以上所提出的方法，可以从环境振动测试以及行车振动测试的数据中识别出结构的基本动力参数以及深层次参数，并且可以量化以上参数的不确定性。所得结果可以用来支撑结构性能评估、预测及维护管理与决策，具体来说，可以应用于结构有限元模型优化、结构损伤状态评估、结构可靠度评估等多个方面。
作者：	蔡得旭
专业：	土木工程;结构工程
导师：	张建
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2021