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原文传递不中断交通条件下桥梁动力特性检测方法研究

论文题名：	不中断交通条件下桥梁动力特性检测方法研究
关键词：	桥梁动力特性测试;不中断交通条件;振动信号;车桥耦合;经验模态分解
摘要：	桥梁承担着重要的交通运输功能，中断交通开展桥梁检测的措施，不仅会增加检测成本，而且会影响车辆通行。因此，在不中断交通条件下，建立不中断交通条件下的桥梁动力特性检测方法成为行业所需。本文在国家重点研发计划课题“城市快速路桥梁超限荷载监测预警系统与安全风险控制技术”（No.2017YFC0806001）支持下，借助Matlab编程软件、MidasCivil建模软件、实验室单片简支空心板梁试验、简支梁桥现场动载试验、斜拉桥现场动载试验等研究手段，研究了不中断交通条件下桥梁动力特性的检测方法。通过希尔伯特-黄变换（HHT）信号处理方法，探讨了桥梁结构在不同跨径、不同车重、不同车速因素作用下的结构动力特性识别方法。主要研究工作及结论如下：　　（1）通过对桥梁动力特性测试方法、车桥耦合系统、桥梁振动信号分析方法的理论进行了总结分析，探讨了传统桥梁动力特性检测方法的优劣势；通过对希尔伯特-黄变换（HHT）理论的研究，将HHT中的经验模态分解（EMD）变换为变分模态分解（VMD）以克服模态混叠的缺陷，并提出将VMD与HHT组合而成的变分模态分解-希尔伯特黄变换法（VMD-HHT）应用于不中断交通条件下的桥梁动力特性识别。　　（2）通过MidasCivil有限元软件、MATLAB编程软件对车桥耦合振动系统进行模拟，分析了车桥耦合系统中的车重、车速、桥梁跨径等影响因素，并通过对简支梁桥现场试验测试分析，验证了模拟结果中的车重、速度和桥梁跨径影响趋势。结果表明：车桥耦合系统的振动频率与车重呈现负相关关系，其中车桥耦合系统一阶频率的下降幅度受车辆荷载作用位置影响，当荷载作用位置位于跨中时，下降幅度最大。车桥耦合系统振动频率与车辆速度在一定速度区间内呈正相关关系，速度足够大时，稍有下降趋势，最终趋于平稳。对不同跨径的简支梁桥进行跑车试验时，跨径越大，车桥耦合振动频率越小。　　（3）在实验室开展了简支空心板梁在冲击荷载激励下的振动信号测试试验，应用MATLAB程序语言进行编程，实现基于HHT理论、VMD信号重构和边际谱模态参数识别的非平稳动态信号处理方法，对简支空心板梁在冲击荷载激励下的跨中竖向加速度信号进行分析，证明了VMD-HHT法在冲击荷载激励下的非平稳竖向振动信号中识别出桥梁固有频率有一定准确度。结果表明：VMD-HHT法识别结果与简支梁一阶自振频率偏差为1.02%。　　（4）采用VMD-HHT法对简支梁桥现场荷载试验测试结果进行分析，明确了VMD-HHT法对不同车速、不同车重、不同桥梁跨径的工况下的车桥耦合系统中桥梁动力特性的识别偏差。结果表明：不同车速工况下，该方法分析识别出的一阶频率值与参考值最大偏差为2.05%，比FFT识别偏差降低了1.87%~3.67%；对不同车辆静载下的简支梁桥振动测试分析时，随着车重的增加，VMD-HHT识别值与自振频率偏差从3.57%上升至7.02%，虽然比FFT识别偏差降低了2.54%~2.85%，但是车辆静载影响下识别偏差仍然较大。不同桥梁跨径下，识别值与参考值的偏差随跨径变大而呈减小趋势，最大偏差为3.10%，比FFT识别偏差降低了1.87%~4.00%。　　（5）对处于服役期间的斜拉桥，分别在中断交通和不中断交通两种情况下，开展了桥梁动力特性测试，并采用VMD-HHT对斜拉桥在脉动试验、不同车重、不同车速、不同跨径工况下的单测点振动信号和多测点振动信号进行分析，证明了VMD-HHT法应用于大型斜拉桥动力特性识别的可行性，明确了该分析方法对于大型桥梁动力特性的识别偏差。结果表明：当对不同车重、不同车速激励下的单测点振动信号测试分析时，VMD-HHT识别出的一阶频率最大偏差为1.95%；识别值与自振频率的偏差相比FFT分析结果降低了2.93%~3.91%。对两座斜拉桥多测点振动信号测试分析时，VMD-HHT法识别出的不中断交通条件下的前三阶竖向振动频率、振型与桥梁自振频率、振型偏差较小，前三阶频率最大偏差依次为2.13%、1.84%、2.00%。VMD-HHT法识别的大型斜拉桥的前三阶振型和频率具有一定准确度。
作者：	廖小龙
专业：	建筑与土木工程
导师：	姚国文
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022