环境激励下桥梁结构模态参数识别方法的研究

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1、振动与冲击第27卷第1l期JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK环境激励下桥梁结构模态参数识别方法的研究姜浩，郭学东，杨焕龙(1．吉林大学交通学院，长春130025；2．吉林建筑T程学院土木T程学院，长春130021)摘要：研究了在环境激励下对桥梁结构进行模态参数识别的一种时域联合算法：自然环境激励技术(NExT)和特征系统实现算法(ERA)的结合(简称NExT／ERA法)。通过对某一预应力混凝土连续梁桥结构的仿真，其中考虑了利用加速度信号、外界白噪声因素的影响，验证了方法的有效性，并指NExT

2、／ERA法适合于环境振动下桥梁结构的监测、诊断。关键词：桥梁结构；模态参数识别；环境激励；自然环境激励技术；特征系统实现算法中图分类号：TB122；TU311．4文献标识码：A近年来，桥梁的安全性、耐久性与正常使用日渐得程结构上的应用研究于近几年来才刚刚开始进行。到关注，促使桥梁健康监测、损伤识别技术、模态参数2004年到2006年问，国内外的学者分别对斜拉桥的仿识别技术迅速发展，并且日益成为同内外学术界和工真模型[、框架结构模型8以及海洋平台H。。进行了程界的研究热点--。模态参数的识别。研究表明：基于环境

3、激励下使用在桥梁健康监测及评估系统中，结构的模态参数NExT／ERA方法可以对框架、海洋平台等结构进行模非常重要，由于结构的内部损伤必然导致结构动力特态参数识别，并且识别精度较高。因此，NExT／ERA方性的变化，例如结构的振动频率、阻尼和振型，所以结法在土木工程领域的应用前景广阔，具有很好的应用构的模态参数(固有频率、阻尼和振型)的变化能够被价值。用来识别结构内部的损伤。通过周期性的结构模态测本文在现有研究的基础上，利用加速度信号、考虑试，时时比较所识别的模态参数，判断其准确的损伤位白噪声因素的影响，对一实

4、际桥梁在环境激励下进行置及变化情况进而实现结构的健康监测和损伤诊断，仿真分析，进一步探讨将NExT／ERA方法应用在桥梁判定结构的寿命和安全程度。因此，结构模态参数的结构模态参数识别中的有效性和可行性。准确识别是该项技术的核心之一。1基本理论所谓环境激励是指风载、车辆载荷、冲击波等随机引起的扰动，受激结构动力响应具有幅值小、随机性利用ERA算法进行系统模态参数识别时，要用到强、受噪音影响和数据量巨大等特点。但是在进行模系统的单位脉冲响应。传统模态分析方法，当系统的态参数识别时，无需增加特殊测量设备，也不干扰桥

5、梁输入力和输出信号已知时，可通过频响函数利用傅里的正常运行，只利用测得的响应(输出)数据即可在线叶逆变换得到脉冲响应。环境激励下，一般仅能量测识别结构的模态参数，因此，基于环境激励的振动响应到结构的响应信息，此时可用NExT方法来获取结构的模态分析对桥梁结构长期的监测和结构健康状态评估脉冲响应。等方面具有重要的实际意义，而且利用环境振动进行1．1自然环境激励技术(NExT)结构的模态参数识别越来越引起人们的重视J。众所周知，环境载荷激励力如行车、风等载荷，在自然环境激励技术(NaturalExcitation

6、Technique，实际环境中不易测试得到。现场动力实验测试得到的NExT)是一种有效的利用自然环境激励响应提取结信号为随机动力响应信号，可通过NExT技术得到近似构振动脉冲响应的技术。特征系统实现算法(ERA)]于结构脉冲响应的信号。运用NExT技术能够从结构识别系统的模态参数理论推导严密、技术先进且计算的输出动力响应信号中得到类似于结构脉冲响应函数量小，是目前最完善又最先进的方法之一。NExT与的互相关函数。ERA结合的时域联合算法(NExT／ERA方法)为识别结线性阻尼结构的动力学方程表示如下：构模态参

7、数提供了有效的方法。NExT／ERA方法在工(t)+Cx(t)+Kx()=．厂(t)(1)式中：，C，分别是n阶质量、阻尼和刚度方阵；X(t)是在连续时间t时刻的位移向量；(t)表示位移基金项目：吉林省科技厅基金项目(20040511)收稿日期：2007—11—28修改稿收到日期：2008—03—20向量对时间的一阶导数即速度向量；(t)表示加速度第一作者姜浩男，博士生，讲师，1974年生向量；-厂(t)表示外部激励向量。通讯作者郭学东男，博士，教授，博士生导师，1955年生当结构的k点受到外界白噪声激励时’

8、2、P两个响第11期姜浩等：环境激励下桥梁结构模态参数识别方法的研究应点信号之间的互相关函数能够表示如下：位矩阵。进而从离散的系统中得到状态空间的系统矩阵BeXp()simT+)如下：(2)，A=U2H(1)T-1式中：、、m分别是第i阶模态频率、阻尼比和模态．{B=’／2E(7)质量，A=09√1一是阻尼固有频率，咖、分别是【C=eT,u2T,~21／Ⅳ2第f、P测点的第i阶模态振型分量，B是与测