基于K-means聚类算法的桥梁结构真实模态筛选研究

现阶段,随机子空间算法被广泛运用于识别桥结构的模态参数,虽然已不少学者对其进行了深入研究,但依然无法精确地对稳定图中的真假模态作出辨识和筛选。为了识别稳定图中的真实模态,首先通过对比分析数据驱动随机子空间算法和协方差驱动随机子空间算法在基本原理和计算效率两方面的差异,最终选定数据驱动随机子空间算法作为模态参数识别算法;其次以某试验桥为背景,通过分析大量稳定图中真假模态的存在形式来总结稳定图中真实模态存在的一般规律;同时基于K-means聚类算法的特点——不仅能实现不同维度数据的聚类,也能判别数据间是否属于同一类,还能筛选出同类的数据点,将该算法与稳定图定阶法中的振型辨识原理进行融合,运用于模态参数识别的流程中以完成真假模态的自动化筛选。为验证所提算法具有可信性,将其运用于识别某试验桥和实际桥梁结构的模态参数结果,并将所得结果与理论值进行对比分析。结果表明:所提算法能有效辨识稳定图中的真假模态,且识别结果具有可信性。     

数据驱动随机子空间算法的桥梁运营模态分析

以某自锚式悬索桥模型试验为研究背景,采用数据驱动随机子空间识别算法和改进稳定图方法对桥梁结构运营模态分析进行研究.为解决数据驱动随机子空间识别中的系统定阶和虚假模态问题,采用奇异熵增量进行系统定阶,并对稳定图进行改进,实现了虚假模态的识别与剔除,最终达到了精确识别桥梁结构模态参数的目的.采用模型试验在不同数据采集方案下的测试数据,识别该模型桥相应测试条件下的模态参数,将识别结果分别与ANSYS理论计算值、DASY-Lab模态参数识别结果进行比较,验证了所提方法及自编程序的正确性,该方法可应用于桥梁结构的运营模态分析中.     

基于两阶段稳定图的随机子空间识别方法在拱桥试验模态分析中的应用

文章利用随机子空间识别法与稳定图法相结合的方法对深门大桥脉动试验数据进行了模态分析,提取出结构的模态参数,同有限元计算结果比较后可以看出,该方法能识别出结构的前5阶自振频率,并且得到较好的结构阻尼。该方法避免了传统的人工识别和迭代过程,对随机子空间法分析所产生的虚假模态,用稳定图法确定阶次,提高随机子空间方法的识别精度。说明随机子空间系统识别方法是一种行之有效的识别结构动力特性参数的方法。     

基于稳定图解析的桥梁模态参数全自动识别

桥梁模态参数识别是桥梁智能监测的重要内容,传统桥梁模态参数识别方法需要人工干预,不适合连续监测,且在传感器较少时可能失效。为解决该问题,提出改进的稳定图解析方法,实现桥梁模态参数全自动识别。首先,提出模态相似指标(Modal Similarity Criterion, MSC)度量模态相似性,解决传统模态置信度指标在传感器较少时可能失效的问题;然后,提出新的稳定图自动清洗方法,剔除稳定图中的大量虚假模态,同时提出改进的层次聚类算法自动解析清洗的稳定图,实现模态参数自动识别;最后,将提出的方法应用于一座斜拉桥和一座具有密集模态的连续梁桥Benchmark,并在极端传感器布置工况下验证所提方法辨别密集模态的可行性。结果表明：即使在发生振型空间混叠时,提出的MSC指标仍能有效辨别不同模态;提出的稳定图自动清洗和自动解析方法不需要任何人工设定的阈值,能够自动剔除虚假模态并得到准确的模态识别结果,同时能够准确识别发生振型空间混叠的密集模态。提出的自动识别方法不受结构刚度和加速度传感器布置位置和数量的限制,能够统一地应用于具有不同刚度和不同传感器布置工况的跨海桥梁集群监测。     

斜拉桥环境激励模态参数识别不确定性试验研究

为分析环境激励法模态参数识别的不确定性,对一模型斜拉桥进行了分区模态试验,测试了主梁竖向和扭转、主塔面内和面外模态。首先,分析了非白噪声激励对模态参数识别的影响,提出采用结构有限元模型仿真分析结合稳定图剔除虚假模态的方法。其次,采用特征系统实现算法(ERA)结合提出的虚假模态剔除方法,识别出全桥15阶模态。再次,采用峰值法(PP)、正交多项式法(RP)、最小二乘复指数法(LSCE)、随机子空间法(SSI)分别进行模态参数识别,对比了各方法模态参数识别结果,统计了其不确定性,频率的识别结果变异性小,阻尼和振型有较大的变异性。最后,采用MONTE CARLO法对实测频响函数添加噪声后进行模态参数识别,结果表明,测点位于振型振幅较大位置时,模态参数识别结果的不确定性小,模态参数识别方法的不确定性比噪声的不确定性大。     

桥梁结构运营模态参数识别方法对比

为比较不同桥梁运营模态分析理论和方法在实际桥梁长期运营中的识别效果和效率,以某大跨度斜拉桥健康监测系统1年的实测数据为依托,用探索性数据分析方法对桥梁实测数据进行评判,从实测数据中筛选符合识别方法基本假定的数据,分别运用频域和时域运营模态参数识别方法识别该桥主梁和斜拉索12个月的运营模态参数,并对识别结果进行对比分析。分析结果表明:不同构件可采用不同的识别方法,基于自适应总体平均经验模态分解的数据驱动随机子空间法对运营状态下斜拉桥主梁的密集模态参数识别效果最好;峰值拾取法能准确、快捷地识别运营状态下斜拉索的模态参数。     

桥梁结构模态参数的时频域识别

为在时频域内识别桥梁结构的模态参数,针对HHT(Hilbert-Huang Transform)方法识别桥梁结构模态参数中存在的端点效应、模态混叠以及频率识别与阻尼识别相互耦合现象,应用带通滤波和扩展随机减量法对HHT方法进行改进,建立了一种基于现代信号时频域分析的桥梁结构模态参数识别方法,然后基于MATLAB平台,编制了桥梁结构模态参数时频域识别程序,并以某吊拉组合桥梁全桥模型试验为例,利用实测数据对所提方法进行验证。结果表明,该方法能正确识别出模型桥梁的前11阶竖向自振频率、前6阶阻尼比以及前3阶模态振型;阻尼比的识别结果为0.2%~2%;识别结果与有限元模型修正后的计算结果相差不大。所提方法能正确、有效地在时频域内识别桥梁结构的频率、阻尼及模态等参数。     

基于实测加速度的悬索桥涡振全过程模态参数演变

为探明桥梁涡振全过程模态参数演变规律，对发生涡振的某悬索桥12 d实测加速度数据进行分析。首先，基于涡振特征指标与改进的随机子空间法，识别并追踪桥梁涡振分布和模态参数；然后，根据涡振报警级别将频率、阻尼比进行分类，研究模态参数在涡振前、中、后的变化规律；最后，分析模态参数与涡振特性之间的相关性。结果表明：在这12 d内，该悬索桥间断地发生了多次、多阶频率，多种程度的涡振；前6阶频率均值仅由于环境影响出现小幅度波动；在涡振期间，各阶频率离散性更小，波动范围仅在0.002 Hz左右；前6阶阻尼比均值线基本保持在稳定区间内，但局部波动变异很大；在涡振期间，由于气动阻尼影响，桥梁涡振锁定频率所在阶次对应的识别阻尼比先明显下降后很快恢复，其他阶次阻尼比没有明显变化；涡振对阻尼比识别值影响较大，但对结构阻尼比影响很小。研究结果揭示了该悬索桥涡振全过程的频率和阻尼比变化规律及其与涡振的关系，可为更准确找出涡振原因和涡振管控提供参考。     

基于响应功率谱传递比的桥梁结构工作模态参数识别方法

为实现基于振动传递比函数的工作模态分析方法能够在任一荷载工况下识别结构模态参数，引入参考响应思路，构建响应功率谱传递比（Power Spectral Density Transmissibility，PSDT）函数。首先利用比例函数的极限定理，揭示PSDT在系统极点处的重要特性，进而根据这一特性建立PSDT驱动的峰值法；同时为解决传统传递比方法无法识别结构阻尼的问题，建立基于PSDT驱动的最小二乘复频域法（LSCF），通过参数化拟合思路识别频率、振型和阻尼比，并运用稳定图辅助剔除虚假模态。通过10层剪切型框架结构数值算例，对比研究外部激励性质对PSDT法及传统频域法（峰值法、频域分解法）识别结果的影响。最后，运用PSDT法对环境激励下的人行桥进行工作模态分析，并与传统响应传递比方法及随机子空间法（SSI）结果进行对比。研究结果表明：在同一工况下不同参考响应的PSDT函数在系统极点与外部激励性质无关，且等价于振型比值；PSDT法相比于传统频域法对外部激励具有更为良好的鲁棒性，能够降低识别谐波激励引起的虚假模态的风险；不同于传统响应传递比方法，在任一工况下基于PSDT法能够识别人行桥的包括阻尼比在内的工作模态参数，并产生更为清晰的峰值和稳定图，具有更好的可操作性；该方法识别结果与SSI结果吻合较好，验证了其在任一荷载工况下分析实际桥梁结构工作模态特性的可行性。     

利用光纤应变传感器通过振动监测对蒂尔夫桥进行损伤识别

介绍利用光纤应变传感器及加速度仪,对有着50多年桥龄的比利时蒂尔夫桥进行的环境振动测试。根据环境振动测试的结果,用随机子空间识别法确定桥梁的固有频率、阻尼比、模态位移和模态曲率;通过有限元模型修改,将所得到的模态参数用于桥梁损伤识别,并将识别结果与实际目测情况进行比较。     

基于EEMD和ARMA算法的某大型斜拉桥的模态参数识别

识别桥梁结构模态参数是结构健康监测和振动控制等研究及工程实践中的一个重要环节。基于EEMD和ARMA算法的模态参数识别技术,利用EEMD分解对原始加速度信号进行分析,然后对所得的IMF进行信号重构。将重构的加速度信号作为ARMA算法的输入,进行模态参数识别,得到了某大桥的前6阶频率,并分析了每阶频率1d内的变化波动情况。通过对比分析每阶频率与实际值的差距,表明该识别方法能有效识别该斜拉桥频率。     

LD480柴油机试验模态分析

利用随机信号和振动分析系统CRAS4.1版 ,采用锤击法对LD480柴油机的机体、曲轴、缸盖及其组合结构的自由模态进行试验模态分析 ,并获得了其前 5阶 (不少于 5阶 )模态参数及振型。通过对结构模态参数的识别 ,为LD 480柴油机主要零部件结构的动力学分析和结构的改进设计提供了依据     

运营状态下杨浦大桥模态试验与状态评估方法研究

利用频域一空间域分解法,建立桥梁运行模态识别方法.该方法对桥梁在实际运行状态下车辆激励的响应测量数据进行无偏功率谱估计;然后采用奇异值分解技术,将随机响应数据空间分解成信号和噪声2个子空间,得出模态指示函数;并利用空间模态滤波技术分离出单一模态,准确识别出桥梁结构的模态参数.通过对杨浦大桥进行动力试验,测试桥梁在环境激励下的振动信息,采用该方法分析得到桥梁结构的动力参数,并与有限元计算结果相对比,有效实现了对桥梁结构整体状态和工作性能的评估.     

连续刚构桥动力特性参数识别与有限元模型修正

以东营黄河公路大桥——大跨预应力混凝土连续刚构桥为对象,首先利用ANSYS建立了全桥的三维有限元模型并进行了理论模态分析;并应用频率分解方法(FDD)和特征系统实现算法(ERA)分析了该桥所安装的健康监测系统采集的加速度响应数据,进行了桥梁动力特性参数识别;最后,在所建立的初始有限元模型和识别的实际桥梁动力特性参数的基础上,采用模型修正的方法,得到了该桥修正的有限元模型。研究结果表明,通过该桥监测系统采集的加速度数据可以较好地识别其模态参数,所识别的模态参数可作为结构动力特性修正的依据;修正后的有限元模型能更真实地反映结构的动力特性,模型修正的结果较好地反映了实际桥梁的物理特性。该模型可以作为该桥梁长期健康监测与状态评估的基准模型。     

改进随机子空间系统辨识方法及其在桥梁状态监测中的应用

为了提高基于振动参数识别的大型斜拉、悬索桥梁在线状态监测系统在灾害天气发生时,评价和预报桥梁状态的实时性。根据随机子空间模态参数辨识方法的特点以及在线数据采集与状态评价过程对参数辨识的要求,利用递推算法构造TOEPLITZ矩阵,减少辨识过程中的重复运算量达到缩短运算时间的目的。该算法在香港汀九大桥状态监测系统数据处理中应用的结果表明,运算时间能够满足台风天气情况下对桥梁状态评价实时性的要求。     

桥梁结构模态参数识别方法综述

随着传感技术、信号采集与处理等技术的发展,桥梁结构模态参数识别方法在桥梁结构健康监测领域已经得到普遍重视。然而,将这些方法应用于实际工程中遇到了很多困难。该文基于近20a来国内外振动信息的桥梁结构模态参数识别算法的研究和应用现状,重点回顾了桥梁结构模态参数识别算法,并对有待于进一步研究的问题进行了展望。     

基于环境激励和子空间技术的自锚式悬索桥结构模态参数识别

结构模态参数的准确获取是自锚式悬索桥静力计算、抗风和抗震分析的重要基础。借助振动测试设备,在自锚式悬索桥加劲钢箱梁内记录了加劲梁多个测量点在环境激励下的振动响应时程,采用基于参考点的随机子空间技术开展了模态参数识别,获得了主跨350 m自锚式悬索桥的振动频率、振型和阻尼参数。试验结果与有限元分析对比表明,子空间识别技术能获得实际桥梁振动模态,而有限元分析存在明显不足,需要基于试验结果开展有限元模型修正。     

基于Fast-ICA算法的改进EEMD算法在桥梁工程中的运用

目前,以振动分析为基础的桥梁结构健康状态评估方法逐渐受到人们的重视,模态参数识别作为振动分析的关键问题之一,还需进一步完善.模态参数识别即是对结构的振动信号进行动力特性参数的识别,以得到结构的频率、振型以及阻尼比.为了精确地识别出桥梁结构的模态参数,需先对传感器采集的结构响应信号进行分解和重构以保留结构的真实信息,再对...     

斜拉桥锤击法模态参数识别不确定性的试验研究

为分析锤击法模态参数识别的不确定性，对一座模型斜拉桥进行了分区锤击法模态试验，采用变时基技术测试了主梁竖向和扭转、主梁横向、主塔面内和主塔面外模态。首先，采用特征系统实现算法(ERA)进行模态参数识别，ERA法的稳定图能够有效区分密集模态，识别出全桥21阶模态参数。其次，采用峰值法(PP)、正交多项式法(RP)、最小二乘复频域法(LSCF)、最小二乘复指数法(LSCE)分别进行模态参数识别，对比了各方法模态参数识别结果，统计了其不确定性，结果表明，频率的识别结果变异性小，阻尼和振型有较大的变异性。最后，采用MONTE CARLO法对实测频响函数添加噪声，RP法进行模态参数识别，结果表明，测点位于振型振幅较大位置时，模态参数识别结果的不确定性小，模态参数识别方法的不确定性比噪声的不确定性更大。     

不确定气动干扰效应影响下并列大跨度桥梁颤振导数识别方法

将处于自然风中一前一后并列布置的大跨度桥梁相互之间可能存在的不确定相互气动干扰处理成随机气动干扰,并归入到紊流风随机激励中,采用基于模态参数识别的随机子空间识别方法,开发了桥梁断面颤振导数识别的专用程序,并以具有理论解的Theodorsen平板为例,通过系统响应数值仿真和颤振导数识别,验证了该方法的可靠性。针对实际大跨度桥梁,设计了并列节段模型试验悬挂系统,开展了紊流风和随机气动干扰效应下的并列大跨度桥梁节段模型风洞试验,将迎风、背风侧桥梁断面的颤振导数结果与均匀流、紊流风中单个桥梁断面颤振导数值进行了对比。结果表明:背风侧桥梁对迎风侧桥梁的颤振导数影响很小,而迎风侧桥梁对背风侧桥梁的颤振导数有较大影响;该研究方法为存在这种随机气动干扰的并列大跨度桥梁颤振导数识别提供了一个较为合理的途径。