桥梁结构模态参数贝叶斯区间估计方法研究及应用

作     者：林森 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭增伟

授予年度：2023年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：模态参数 贝叶斯估计 时程序列 大跨悬索桥 参数演变 

摘      要：模态参数识别是桥梁结构健康分析中的一项重点问题。系统的模态参数(频率、振型和阻尼)是确定系统振动特征的主要参数,具有简单、直接和物理定义清晰的特征。通过科学的分析方法识别得到的准确桥梁模态参数可为大跨径桥梁结构动力性能研究提供重要参考。然而,由于实际运营的桥梁实测环境中存在信噪比低下、测量仪器精度不足和模型描述偏差等诸多不确定性的因素,确定性的动力参数识别方法目前仍然表现出一定劣势。因此,针对动力参数识别的贝叶斯估计法、统计模式法以及随机有限元模型修正法等包含不确定性因素的识别技术应运而生。其中,采用贝叶斯估计思想进行结构模态参数,特别是环境激励作用下的识别方法发展较为迅速,此技术将需要评估的模态参数视作随机变量,可将被测参数的统计特征用以结构状态的评估。贝叶斯估计的过程从建立参数的先验概率分布开始,并依托历史信息和工程经验,根据获得的条件信息不断更新先验,以此得到待评估参数的后验概率分布。基于上述过程,从而得出参数的最佳估计值。本文以桥梁工程中大跨径悬索桥:西堠门大桥以及高家花园大桥为研究对象,应用了贝叶斯模态参数识别并优化和改进了相关技术,主要研究内容与结论如下:(1)结构模态的Bayesian区间估计方法本章针对工程结构中的模态参数识别多为确定性值的问题,提出基于Bayesian-FFT算法的模态参数区间估计的更新方法,采用简支梁MATLAB数值模型及ANSYS模型为研究对象,通过设置不同初始参数的工况,识别对比了模型采用不同初始阻尼比,激励采用不同信噪比的模态参数,对过程中的关键性指标进行了讨论。同时,分析对比了采用时域方法识别,频域方法点估计识别以及贝叶斯区间估计结果的差异性,在调试合理参数的情况下,得到了较为精确的模态阻尼比以及频率的后验概率分布。(2)悬索桥模态参数识别及阻尼比分布区间风速依赖性针对大跨桥梁阻尼比识别精度不高的问题,以西堠门大桥实测振动响应时程数据验证了上述方法的有效性和可靠性,探讨了在先验分布未知情况下阻尼比不确定性随样本更新的变化规律以及在缺乏先验信息情况下后验分布的时变特性,总结了以下结论:采用不同方法识别得到的竖弯阻尼比的不确定性最小,扭转阻尼次之,侧弯阻尼的不确定性最大;经计算分析,西堠门大桥各向阻尼比后验分布的特征参数在抽样时间超过一定时长(25小时)后趋于稳定。以上述识别结果为基础,通过贝叶斯动力参数识别方法对桥梁结构的模态参数识别,获得模态参数的最大后验估计MPV值以及其对应概型,并对大跨悬索桥不同风速下三向阻尼比不确定性进行统计分析,得到了大跨悬索桥三向模态参数在风速变化下的置信区间,对贝叶斯动力识别方法进行了应用。(3)不中断交通下桥梁基频的自适应Bayesian区间估计考虑传统模态参数识别需要中断交通的不便捷性较高,开展考虑交通状态变化下的桥梁结构模态参数识别,并将优化后的贝叶斯动力识别方法应用于桥梁结构运营状态下的模态参数,获得了模态参数的最大后验估计以及参数概率分布,同时对比了不同方法之间的差异性,随后通过统计分析对其不确定性进行评价。结合理论研究,量化了桥梁结构不同时刻,不同交通量下的桥梁结构模态参数的变化,着重量化桥梁结构在不同工作状态下的基频变化趋势及其变化区间。