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原文传递基于环境激励的桥梁结构动力有限元模型修正研究

论文题名：	基于环境激励的桥梁结构动力有限元模型修正研究
关键词：	桥梁结构;动力特性;有限元模型;修正方法;环境激励
摘要：	有限元模型修正对象、优化目标以及约束条件的不同,决定了特定的有限元模型修正方法只适应于特定的问题。对桥梁结构进行有限元模型修正,必须考虑桥梁结构的特点。但是,桥梁结构的动力特性一般由现场的振动测试确定,在正常工作条件下,风、车辆、行人等是一种自然的环境激励方式。直接利用环境激励下桥梁的振动响应数据进行模态参数识别,具有明显的优点:不需额外的人工激励,不必中断交通,更符合实际的边界条件与工作状态,可以实现实时的监测等。因此基于环境激励的桥梁结构动力有限元模型修正研究具有重要的意义。　　基于环境激励的桥梁结构动力有限元模型修正方法研究,尽管已有许多处理方法和研究成果,但还有许多关键问题或难点没有得到很好地解决。本论文就是基于这样的背景,在国家自然科学基金项目(No.50378041, No.50608036)资助下,旨在对处于工作环境下的桥梁结构有限元分析模型进行修正,使其与现场环境振动测试结果尽可能地接近,提出并最终建立基于自然的环境激励、适用于桥梁结构的有限元模型修正实用方法。重点研究了目标函数的构建,修正参数的选择和实用的优化算法,研究结果可广泛应用于桥梁结构的损伤识别、健康监测以及承载力评定,具有较大的理论意义和工程实用价值。　　本论文在如下几方面进行了理论、数值与试验研究,并取得了一些研究成果: 　　1)详细讨论了基于环境激励桥梁结构动力有限元模型修正所涉及到的各个方面和技术,如有限元建模、环境振动测试和模态参数识别等。重点介绍了各种评判理论分析和实验结果相关程度的方法、有限元模型的缩聚方法和实验模态的扩展方法等。最后介绍了基于MATLAB开发的有限元模态分析工具箱MATBM,并通过一个简支梁的仿真实例进行了验证。　　2)有限元模型修正过程中存在三个关键问题:目标函数的确定、修正参数的选择和实用的优化算法,目标函数的构建是其中最关键步骤之一。通过一个简支梁的仿真实例表明,在基于动力的目标函数中,联合频率、振型和模态柔度的目标函数比单独运用频率、振型或模态柔度的目标函数有更好的模型修正效果,而且在联合频率、振型和模态柔度的目标函数中,频率残差取较大权重系数构建目标函数的修正效果最好。　　3)有限元模型修正的成功与否,修正参数(比如物理参数、子结构参数)的选择至关重要。从模态参数识别的角度来说,需要修正参数的微小变化能导致模态数据有显著的变化,也就是说,用以构建目标函数的理论分析结果、实验结果之间的差异应该是修正参数的敏感函数。否则,修正的参数有时需要严重偏离它们的初始值,才能达到可接受的对应关系,参数会失去其物理基础。同时为了避免数值计算出现病态,修正参数的数量应该尽可能少。因而,选择参数时需要透彻了解目标结构的物理意义。通过实例研究,本文建立了基于灵敏度分析和工程经验选择修正参数的过程。　　4)建立了十里河大桥的有限元模型,在灵敏度分析和优化理论的基础上,以桥梁在环境激励作用下的实测数据为依据,对桥梁的有限元模型进行了修正。总的来说,基于动力响应的修正结果是比较合理的。修正结果表明,该修正方法简单、有效,修正后的有限元模型能更好地反映桥梁的动力特性,为后期的损伤识别和健康监测服务。　　5)为了解决桥梁结构健康监测中的传感器优化布置问题,提出了一种基于二重结构编码遗传算法的传感器优化布置方法。该法克服了传统遗传算法收敛速度慢且易陷入局部最优的缺陷,大大加快了收敛速度,并确保能搜索到全局最优解。最后通过一个桥梁工程的实例分析,证明了该法在搜索能力、计算效率和可靠性方面均明显优于序列法,可广泛应用于桥梁结构健康监测。　　6)首先改进了编码方法,采用二重结构编码进行种群的初始化、交叉和变异,然后选择时采用最优保存策略,交叉时采用自适应部分匹配交叉,变异时采用自适应逆位变异。在构造初始种群时,只保留可行解,解决了传感器数目固定的约束问题。采用部分匹配交叉和逆位变异,确保新产生的个体均为可行解。最后采用自适应的交叉概率和变异概率,在保持群体多样性的同时又保证了遗传算法的收敛性,确保遗传迭代向有利于最优解的方向发展。
作者：	黄民水
专业：	结构工程
导师：	朱宏平
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2008
正文语种：	中文