钢-木组合人行桥时变模态参数识别与损伤诊断

作     者：陈飞宇 

作者单位：福建农林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：盛叶;刘景良;陈庚

授予年度：2020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：钢-木组合桥 人桥相互作用 联合方法 时变模态参数 损伤识别 

摘      要：钢-木组合结构因其良好的承载能力与环境协调性,目前多用于人行桥等结构中。人行桥在整个服役期间将不可避免地出现损伤和破坏,其响应信号呈现时变和非平稳特性。因此,对在役人行桥进行适用性评价、安全评估和维护加固显得十分迫切。目前的时变结构参数识别方法大多存在时频分辨率低、局限于某一类特定信号等问题。为解决上述问题,本文针对行人激励下的人行桥响应信号的时变和非平稳特性,采用一种联合方法来识别人桥耦合系统的瞬时频率,并提出单人和人群激励下的人桥耦合系统的频率变化公式。在瞬时频率识别的基础上,本文还提出了一种新的时变阻尼识别方法。针对组合结构人行桥易发生螺栓松动损伤的问题,本文还提出了一种螺栓松动损伤定位方法。最后,通过数值算例和人行桥步行试验验证了所提方法的有效性和准确性。本文的主要研究工作和创新之处如下:(1)在建立人体模型与钢-木组合人行桥耦合的系统模型并求解其振动响应的基础上,引入一种结合了拓展解析模态分解、递归希尔伯特变换和细化同步挤压小波变换的联合方法(Combined Method,CM)来识别时变模态特性,从而获得高时频分辨率的瞬时频率曲线。然后,对不同跨径钢木组合人行桥进行参数分析并分析人体参数对人-桥耦合系统固有频率的影响,最终拟合得到人-钢木组合桥耦合系统频率随行人移动的经验公式。研究结果表明:该模型能够很好地模拟人与钢木组合人行桥之间的相互作用;在单人和人群作用下联合方法均能准确识别出耦合系统的频率变化并具有一定的鲁棒性,而且提出的人-钢木组合桥耦合系统频率公式能够为人行桥的设计、维护等工作提供一定的参考。(2)由于基于连续小波变换、同步挤压小波变换的时变阻尼比识别存在时频分辨率低、不精确的问题,本文提出了基于改进同步挤压小波变换方法的瞬时阻尼比识别方法。首先,通过改进同步挤压小波变换获得高时频分辨率的瞬时频率曲线,然后计算对数标度的小波系数幅值斜率,从而得到高分辨率的瞬时阻尼比曲线。最后,通过一个钢-木组合桥数值算例和一个组合结构人行桥步行试验验证了该方法的有效性。(3)本文提出了一种基于归一化频响函数曲率差的钢-木组合结构螺栓松动定位方法。在建立钢-木组合梁有限元模型并通过隐式动力分析获取其响应信号的基础上,首先对激励信号和测得的加速度响应信号进行快速傅里叶变换并求解频响函数,然后在此基础上计算归一化频响函数曲率差指标来判别螺栓松动的具体位置,最终成功解决了因螺栓钻孔和螺栓预紧力而导致的损伤位置误判问题。