环境振动系统识别方法的比较分析

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1、万方数据第29卷第6期福州大学学报(自然科学版)vd29No61塑!堡!!旦!!!型堕!!垫!!型!!竖】立!!!!型皇!!!12堡!：!塑!文章编号：1000—2243(200J)06—0080一们环境振动系统识别方法的比较分析任伟新(福州大学土术建筑工程学院，福建福州350002)摘要：对土术工程结构在自然环境振动条件下系统识别的方法进行了评述，重点讨论与比较了频域识别的峰值法(PP)和时蛾识别的随机子空间法(SSI)．实例分析包括一15层高的钢筋混凝土建筑和一座钢拱桥．实践表明，PP方法简单、快摧、实用．但结构阻尼无法

2、识别，且振型识别精度不高；ssI方法计算工作量大，费时+但识别质量较高，借助于稳定图，可以识别出PP方法无法识别的相邻空间振型．实用中建议，在现场实验时用PP方法检查实测数据并初步识别结构的动力特性，随后再用蚓方法做进一步的细致分析，确保系统识别结果的正确性．关键词：系统识别；环境振动；土木工程结构；动力特性；摸态分析；动力实验中围分类号：TU31l3文献标识码：Al引言系统识别原本是控制理论研究的课题”“1，但近年来却在工程应用的各领域受到世界范围内越来越广泛的关注．在土木工程领域．房屋、桥梁和大坝等工程结构被视为“系统”

3、，而“识别”则意味着由振动实验数据求得结构的动力特性(频率、阻尼比和振型)．这些实测的结构动力特性将作为有限元模型修正、结构损伤检测、受损结构物的评定、结构控制和结构实时监测的基础或输人．在过去的几十年当中，土术工程结构的系统识别发展得很快，象模态分析和模态实验技术等已基本成型并得到广泛的应用u’。．然而许多现有的系统识别方法仅限于精心设计的实验室中的试验，显然，土木工程结构的实际工作条件与实验室内的模态实验相差甚大，一些识别方法应用到实际工程中总是不太理想．系统识别的基本原理是建立在已知系统的输出和输人来求得频率响应函数(

4、频域)或脉冲响应函数(时域)，从而实现对系统的识别．对土木工程结构而言，结构的振动响应(输出)由安置在结构各部位的传感器记录得到，然而，工作环境条件下大型复杂实际结构的激励(输入)却不是那么容易可以测到的虽然有一些专用的激振设备和相应输入一输出测试装置，但现场实验条件、结构的复杂性和实测数据质量等因素往往限制了这类专用激振设备的使用．一些重型的激振装置均很贵，势必增加了系统识别的成本，且用这种方法必须关闭结构或线路，这对使用繁忙的结构带来诸多不便．另一方面，象车辆、行人、风及其组台等是作用于结构上的环境或自然激励．用环境激励

5、引起的振动对结构系统进行识别显然具有许多优点：无须贵重的激励设备，不打断结构的正常使用，方便省时．只需测定响应数据等，因此成为土木工程结构系统识别十分活跃的课题．由于此时仅仅有环境振动响应的输出数据而真正的输人情况是不知道的，因此，系统识别过程是只知输出的系统识别．环境振动系统识别对传统系统识别的方法也是一种挑战，需要应用一些特殊的识别技术，因为环境振动响应一般振动幅值都很小，随机性很强，噪音影响和数据量很大等．目前由不同的研究者基于不同的用途提出了一些环境振动系统识别的方法，如：基于功率谱密度的峰值法“1，基于离散时间数据

6、的ARMA模型“1，自然激励技术(NExT)”。，随机子空间法”1等．仅用环境振动响应数据对系统进行识别的文献综述参见文献[9]．事实上，现有的一些方法在数学上是很相似的，不同的仅在于具体的处理手法上，如对数据减缩、方程求解方法、矩阵运算的顺序等的处理上，接下来的一个问题是用全尺寸的实际结构对这些方法进行比较，收稿日期：200I一10一08作者简介：任伟新(1960一)，男，特聘教授，博士生导师万方数据1r-No．6第6期任伟新：环境振动系统识别方法的比较分析‘8l’『0∞1吣一07溅器黧嵩凳黑薯三嚣嚣笳淼嚣淼淼搿季茎问方法

7、(SsI)．作者的初衷并非想找出一胜者，事实上合适的方{去很大栏度上取嫩1异伴”⋯”’1工3””用两端僦淼燃篇瓣瓣鬈竺鬻需渊瓣篷蒜盖方法有些理论上的不足，但却非常实用、简单和快捷；另一种是较先进明啊

8、飘戗丹q州腿仉12”“5’”“2J毒翟要誉：蕈的谩别结构模态参数的方法．峰值法最初是基于结构自振频率在其频率响应函数上。m雾惹：絮着等裟薯嚣嚣筹彗淼等善鬻鬻茹篙篡篙嚣Z砉裟鉴曼慧笔戮篇翟秽盐纛瓣翟簇篇尝淼淼j罢是鬻鬻燃裟篡篙三嚣’蒜篇嚣裂紧端箍茹；盖茹主毳转黧黧霎髫善纛凄蓍釜差?嚣兽瑟瑟茎票嚣等暑怠署嚣嚣善筹：磊茎磊蓖筹差?霍j

9、霉釜釜翟凳?筹姜≤羹荔芸l来越警，誓嚣函兰辇詈塞嚣搿翟；星萎薯蓦裟鬯嚣纂誉淼淼嚣二蕃}动实篆悬案i篙等鬻勰盏凝嚣蒹蒜篆獾嚣淼黼器，夏E、结蒙詈熹雾譬竿兰翌：善一言誓‰萎嚣麓尝嚣嚣‘孑善誊蓍茹麓薹呈搿甾磊l基本到的是工作挠曲形状而不是振型；③仅限于实模态和比例阻尼笫嗣；㈨阻J匕州1卣。l珀8