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原文传递大跨径高速铁路桥梁运营模态在线追踪辨识方法研究

论文题名：	大跨径高速铁路桥梁运营模态在线追踪辨识方法研究
关键词：	大跨径高速铁路桥梁;在线追踪辨识;运营模态;振动响应
摘要：	模态参数是结构的固有特性，其准确辨识是开展模型修正、损伤识别和状态评估的基础。运营模态追踪辨识技术因仅需响应即可掌握结构动力特性的变异，已成为结构健康监测领域的研究热点之一。本论文以大跨径高速铁路桥梁为研究对象，面向桥梁在列车激扰前低信噪比的随机振动、激扰时激励分量贡献显著的随机-确定性振动以及激扰后短时有效的自由振动，开展模态在线追踪辨识方法研究，解决了虚假模态、模态丢失、弱模态识别等问题，并初步利用模态长期追踪结果开展了桥梁异常预警研究。主要工作如下: 　　(1)列车激扰前，低能量伪宽带环境激励作用下的桥梁随机振动响应信噪比低，导致辨识结果存在虚假模态和模态丢失等问题。为此，依据同阶真实模态在各模型阶次下具有高相似度的特性，定义了区分真假模态的相似度指标，提出了对相似度指标聚类的虚假模态剔除方法，阐明了多时段下结构模态观测向量间的对照关系，构造了可避免新旧阶次模态丢失的完备观测向量空间，建立了基于观测向量相似度最大化的追踪方法。算例表明，所提方法实现了不同信噪比、多变振动带宽等工况下的真实模态在线追踪辨识。　　(2)列车激扰时，在以高能量窄带列车荷载作用为主的桥梁随机-确定性振动响应中，结构弱模态分量易被虚假激励分量淹没而难以辨识。为此，构建了桥梁子系统振动方程与随机-确定子空间辨识模型的映射关系，创新引入实验模态分析思想，构造了基于现场监测数据的虚拟车辆移动荷载列，确立了虚拟移动荷载列与桥梁节点确定性荷载的等效关系，提出了基于响应-等效荷载投影的扩展随机子空间辨识算法。算例表明，所提方法强化了分析响应的结构模态分量比重，实现了有限模型阶次下的弱模态辨识，解决了参数化运营模态分析方法与列车激扰时桥梁振动分析不适配的问题。　　(3)列车激扰后，桥梁各测点在高幅值初始条件下的自由振动响应表观增减性无显著规律，造成辨识所需的有效自由振动提取困难。论文对比了各测点多自由度响应和单自由度分量的振动特性，从理论上给出了单自由度分量幅值特征可作为自由振动和强迫振动的界定依据，提出了多自由度响应无混叠分解的迭代2-变分模态分解方法，建立了基于分解单分量包络衰减特性的自由振动有效时段提取方法。算例表明，所提方法确保了模态参数高精度辨识的自由振动有效数据段需求，实现了根据振动形式进行模态精细化辨识的在线切换。　　(4)考虑到模态参数可作为评估结构动力性能的重要指标，本论文初步探索了将已追踪辨识的模态参数用于桥梁异常预警。构建了模态参数与环境因素的回归分析模型，采用控制图法标定参数辨识误差的受控范围，减小在桥梁正常状态下因模态参数变异而发生的错误预警。算例分析了不同振动形式下追踪模态参数的预警结果，确定了适于异常预警的最佳模态阶次，为基于模态参数的实桥异常预警提供参考。
作者：	杨小梅
专业：	结构工程
导师：	伊廷华
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连理工大学
学位年度：	2020