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原文传递基于IVMD-KLD的桥梁索力监测数据温度效应分离方法研究

论文题名：	基于IVMD-KLD的桥梁索力监测数据温度效应分离方法研究
关键词：	桥梁结构;健康监测系统;索力监测数据;温度效应;自适应分离
摘要：	桥梁是交通运输互联互通的关键节点，为保障长大桥梁安全，桥梁健康监测系统得到广泛应用。斜拉索作为缆索承重桥梁传递桥面荷载的主要传力构件，索力值是评价桥梁使用功能和安全性的重要监测指标。一般来讲，健康监测系统采集得到的索力响应是恒载、移动荷载、温度等因素共同作用的结果，其中温度效应对索力幅值变化影响显著，往往会在一定程度上掩盖荷载产生的索力响应。因此，分离索力监测数据中的温度效应，从而获取由荷载引起的真实索力，对于判断桥梁结构的真实服役状态具有重要的研究理论和工程实用价值。　　本文针对现有的桥梁响应监测数据温度效应分离方法准确度欠佳、普适性差、缺乏多时间维度分析等问题，从数理统计、相关性分析、信号处理、数值模拟等方面，开展了基于改进变分模态分解（Improved Variational Mode Decomposition， IVMD）与K-L散度（Kullback-Leibler Divergence，KLD）联合的桥梁索力监测数据温度效应分离方法研究。主要研究内容及结论如下：　　（1）分析了不同时间尺度下的温度与索力相关性。首先，通过对主梁各截面日、年温度数据的统计分析，得出了主梁温度由跨中向两岸的分布规律以及温度作用的标准值；然后，分析了不同时间尺度上的索力数据变化特征以及频谱成分，最后，进行了不同位置处斜拉索索力与环境温度的相关性分析。分析结果表明：温度作用标准值由跨中向两岸侧递减；索力受到温度的影响数据频谱中存在日、年温差效应成分，可为信号模态分解技术应用于解离温度效应确立基础；不同位置处索力受温度的影响程度不同，靠近桥塔处的斜拉索索力受温度影响更大。　　（2）搭建了索力温度效应分离方法的流程框架。首先，利用模态中心频率变异系数和信噪比值优化改进的变分模态分解法分解索力，得到一系列模态分量；接下来，按相近的排列熵值进行分量组合，避免温度效应成分丢失；然后，计算分量与原索力信号之间的 K-L 散度值，对温度效应成分分量进行识别；最后，提出相关系数、误差统计指标进行分离效果评价。研究结果表明：所构建的IVMD-KLD 模型具有完备的理论支撑，可用于实现索力数据中温度效应的自适应分离。　　（3）开展了基于 IVMD-KLD 的索力数值模拟信号温度效应分离效果验证。首先，根据温度数据统计分析得出的温度作用标准值，转化为温度荷载工况施加于Midas Civil有限元模型中获得索力仿真信号；然后，利用IVMD-KLD方法分离了仿真信号中日、年温差效应；最后，进行了不同模态分解方法的对比分析。研究结果表明：所提方法能有效分离索力仿真信号中的温度效应，日、年温差效应分离前后的信号波形互相关系数分别达到0.983、0.990，与EMD-KLD相比分别提高9.12%、12.50%，与 EEMD-KLD 相比分别提高 10.48%、11.13%，有效改善了模态混叠、端点效应、伪正交性等问题。　　（4）开展了实桥索力监测数据的温度效应分离及应用研究。首先，利用巴特沃斯低通滤波器进行了快变成分的分离；然后基于IVMD-KLD进行了实桥索力监测数据温度效应的分离；最后，获得了恒载标准索力的概率分布形式。研究结果表明：在分离快变成分后，利用所提方法分离的实测索力日、年温差效应与温度日、年变化量之间的皮尔逊相关系数分别为-0.957、-0.989，温度与索力之间存在极强负相关性；与EMD-KLD相比分别提高17.42%、20.17%；与EEMD-KLD相比分别提高11.41%、12.13%，IVMD-KLD方法在实桥索力数据应用中展现出了良好的适用性。在分离快变成分和温度效应后，不同位置的斜拉索恒载索力在随机干扰因素下均服从正态分布，在给定显著性水平下求得拒绝域的上、下限值，从而可划分恒载索力的预警区间。
作者：	唐浩杰
专业：	土木工程;桥梁与隧道工程
导师：	辛景舟;周建庭
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023