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台风非平稳特性对大跨钢桁梁斜拉桥抖振特性影响分析

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台风非平稳特性对大跨钢桁梁斜拉桥抖振特性影响分析

作者：张国良重庆交通大学

学位级别：硕士

大跨度桥梁正向着智能化、自动化和绿色可持续方向迈进。在这一进程中,钢桁架结构因其轻质、高强、施工迅速及环境友好等特点,在大跨度桥梁建设中被广泛采用。然而,随着跨度的增加和结构质量的减轻,这类桥梁对风荷载的敏感度也相应增强... 详细信息

大跨度桥梁正向着智能化、自动化和绿色可持续方向迈进。在这一进程中,钢桁架结构因其轻质、高强、施工迅速及环境友好等特点,在大跨度桥梁建设中被广泛采用。然而,随着跨度的增加和结构质量的减轻,这类桥梁对风荷载的敏感度也相应增强,进而加剧了风致效应的问题。特别是近年来,由于台风事件频繁发生及其非平稳特性明显表现,使得大跨钢桁梁斜拉桥的风致响应愈发复杂。目前,传统的桥梁抖振分析多基于平稳随机过程假设,对于预测桥梁在非平稳风环境中的抖振响应存在局限性。因此,结合台风的非平稳特性改进传统抖振分析框架对于加强大跨钢桁梁斜拉桥在台风作用下的非平稳抖振响应研究具有重要意义。于是,本文紧紧围绕台风以及桥梁抖振响应的非平稳特性,开展了台风作用下大跨钢桁梁斜拉桥非平稳抖振时域模拟与分析。主要研究内容包括:(1)台风平稳、非平稳风特性实测分析。基于台风实测数据,通过使用游程分析法评估风速的平稳性,从而确定了三个方向风速的平稳状态。随后,利用经验模态分解法(EMD)和小波变换(DWT)技术,提取非平稳风速的时变趋势项,并比较两种方法的优异性。在此基础上,开展了基于平稳、非平稳风速模型的脉动风特性研究,包括:紊流强度、阵风因子、紊流积分尺度和功率谱密度。通过比较两种模型,揭示了风特性的差异及其变化规律。特别地,利用广义风谱模型和扩展的非平稳功率谱模型,采用非线性最小二乘法,成功拟合了台风“山竹”的平稳功率谱和非平稳演变谱。(2)主梁平稳、非平稳脉动风场模拟。根据所拟合出的顺风向、竖向平稳功率谱和非平稳演变谱模型,分别使用基于AR模型的线性滤波法和基于POD技术的谐波合成法模拟了主梁平稳与非平稳脉动风场。进一步,从频谱性和相关性两个方面,验证了所模拟平稳与非平稳脉动风场的有效性和可靠性。这不仅为后续的大跨钢桁梁斜拉桥时域抖振分析提供了真实可靠的风速数据基础,同时也证实了所采用的两种模拟方法在风场模拟方面的适用性和准确性。(3)大跨钢桁梁斜拉桥非平稳抖振响应分析。基于桥梁非平稳抖振时域分析框架和ANSYS有限元模型,综合考虑气动自激力和结构非线性等因素,开展了台风作用下大跨钢桁梁斜拉桥非平稳时域抖振分析。首先计算了主梁跨中位置的静风响应,而后再进一步计算0°风攻角下的抖振时程响应,并将平稳与非平稳模型进行对比。在此基础上,根据Priestley理论估计了基于样本平均的非平稳抖振位移演变谱密度(EPSD),并将其与平稳抖振位移功率谱(PSD)进行对比,揭示了台风作用下大跨度钢桁梁斜拉桥抖振分析考虑非平稳特征的重要性。研究最后探讨了气动导纳、平均风速、风谱类型以及相干函数的选取对整体抖振响应的影响规律,进一步深化了对非平稳抖振现象影响因素的认识。

关键词：台风大跨度钢桁梁斜拉桥非平稳风特性风场模拟抖振响应

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沙尘暴天气下实测强风非平稳特性研究

合肥工业大学学报（自然科学版） 2021年第12期44卷 1660-1667页

作者：杨汉郅伦海合肥工业大学土木与水利工程学院安徽合肥230009

文章基于小波变换及非平稳风速模型,对北京325 m气象塔实测强风数据进行统计分析,获得湍流度、阵风因子、演变功率谱等非平稳强风的湍流特征参数,并对比研究了平稳风速模型和非平稳风速模型的风特性分析结果。结果表明,沙尘暴天气下实... 详细信息

文章基于小波变换及非平稳风速模型,对北京325 m气象塔实测强风数据进行统计分析,获得湍流度、阵风因子、演变功率谱等非平稳强风的湍流特征参数,并对比研究了平稳风速模型和非平稳风速模型的风特性分析结果。结果表明,沙尘暴天气下实测强风表现出较强的非平稳性,基于非平稳风速模型统计的湍流度和阵风因子与平稳风速模型的分析结果存在明显差异,利用小波变换估计的演变功率谱呈现明显的时域变化特征,传统平稳风速模型难以准确描述实测非平稳强风的风场特性。

关键词：非平稳风特性湍流度阵风因子小波变换演变功率谱

大跨度三塔连跨悬索桥风致抖振及其MTMD控制研究

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大跨度三塔连跨悬索桥风致抖振及其MTMD控制研究

作者：陶天友东南大学

学位级别：硕士

三塔连跨悬索桥是在两塔悬索桥的基础上发展起来的一种新桥型,中塔的引入使得其动静力特性较之两塔悬索桥更加复杂。随着桥梁跨度的增加,强风作用下大跨度三塔连跨悬索桥的风致抖振问题日益显著,其风致抖振精细化与振动控制研究备受关... 详细信息

三塔连跨悬索桥是在两塔悬索桥的基础上发展起来的一种新桥型,中塔的引入使得其动静力特性较之两塔悬索桥更加复杂。随着桥梁跨度的增加,强风作用下大跨度三塔连跨悬索桥的风致抖振问题日益显著,其风致抖振精细化与振动控制研究备受关注。本文以泰州大桥为工程背景,紧紧围绕三塔连跨悬泰桥风致抖振和MTMD减振控制两大研究热点,结合泰州大桥桥址区实测风数据和大型有限元分析软件ANSYS,开展大跨度三塔连跨悬索桥风致抖振及其MTMD控制研究。主要研究内容包括：1.泰州大桥有限元建模及其动力特性分析。根据泰州大桥结构设计参数在ANSYS中建立了结构三维有限元模型,从而采用子空间迭代法计算了泰州大桥的模态参数。根据泰州大桥成桥试验及模型试验数据,将实测模态参数与计算模态参数进行了对比,以验证所建立的泰州大桥有限元模型的准确性。2.泰州大桥桥址区强台风平稳与非平稳特性现场实测研究。以台风“娜基莉”为研究背景,根据泰州大桥桥址区实测风数据开展了实测强风平稳与非平稳特性对比研究。通过游程检验法对风速时程的均值与方差进行了非平稳性检验,从而定量评估了基本时距内风速的非平稳比例。基于平稳与非平稳风速模型分析了台风的平均风特性、紊流强度、阵风因子、紊流积分尺度和紊流功率谱密度等具体风特性参数。3.基于插值函数的三塔连跨悬索桥简化三维脉动风场模拟。传统谐波合成法在模拟脉动风速时需进行大量的Cholesky分解,其直接制约了算法的计算效率。本文通过对Cholesky分解矩阵引入插值近似以减少Cholesky分解的次数,从而大幅度提高了传统谐波合成法的计算效率。采用简化风场模拟方法,在保证足够模拟精度的前提下,实现了三塔连跨悬索桥三维脉动风场的快速有效模拟。4.基于平稳与非平稳风谱的三塔连跨悬索桥抖振性能对比研究。鉴于平稳与非平稳风速模型的差异,根据Davenport准定常理论分别推导了平稳与非平稳静风荷载、抖振力和自激力模型。基于所模拟的桥址区平稳与非平稳三维脉动风场,结合泰州大桥三维有限元模型,从而开展了三塔连跨悬索桥平稳与非平稳抖振性能对比研究。5.大跨度三塔连跨悬索桥风致抖振MTMD控制研究。根据三塔连跨悬索桥抖振响应特征确立了MTMD的设计方案,采用轮次更新法研究了MTMD设计参数(TMD数量、质量比、阻尼比、频带宽等)对减振效果的参数敏感性,结合MTMD的减振效果与鲁棒性等两个因素确定了MTMD设计参数的优选值,从而进一步开展了减振前后大跨度三塔连跨悬索桥风致抖振对比分析。

关键词：三塔连跨悬索桥平稳风特性非平稳风特性简化风场模拟抖振多重调谐质量阻尼器

基于SHMS的大跨度悬索桥模态参数识别及有限元模型修正

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基于SHMS的大跨度悬索桥模态参数识别及有限元模型修正

作者：茅建校东南大学

学位级别：硕士

桥梁结构的模态参数识别和有限元模型修正均是大跨度桥梁结构健康监测领域的主要研究热点,准确识别结构模态参数、修正对应的有限元模型可为桥梁结构状态评估、损伤识别及养护维修奠定基础,为同类桥梁的合理设计、施工及养护等提供参考... 详细信息

桥梁结构的模态参数识别和有限元模型修正均是大跨度桥梁结构健康监测领域的主要研究热点,准确识别结构模态参数、修正对应的有限元模型可为桥梁结构状态评估、损伤识别及养护维修奠定基础,为同类桥梁的合理设计、施工及养护等提供参考。本文以润扬悬索桥为工程背景,紧紧围绕大跨度悬索桥模态参数识别和有限元模型修正两个热点问题,利用该桥结构健康监测系统(SHMS)实测的台风期间风数据及结构振动数据,开展基于SHMS的大跨度悬索桥模态参数识别及有限元模型修正研究。主要研究内容包括：(1)润扬悬索桥桥址区实测台风非平稳风特性分析。依托于该桥SHMS记录的实测风速、风向数据,以“麦莎”和“韦帕”台风为研究对象,分别基于平稳和非平稳风速模型得到了对应的平均风速、紊流强度、紊流积分尺度和紊流功率谱密度等风特性,并将两种模型的计算结果进行对比。研究结果表明,台风期间实测风速表现出明显的非平稳特性,此时非平稳风速模型在刻画风特性时具有更好的适用性。(2)基于三类典型方法的大跨度悬索桥模态参数识别对比研究。利用润扬悬索桥SHMS采集的台风期间的主梁振动数据,分别采用平均正则化功率谱方法(ANPSD)、随机子空间法(SSI)和希尔伯特黄变换法(HHT)识别大桥主梁模态参数,并将识别结果进行对比分析,以评判三种方法对该桥进行模态参数识别的适用性。研究结果表明,台风期间主梁实测加速度响应表现出明显的非平稳特性,HHT方法适用于非平稳信号的处理,且就本案例而言,基于该方法识别的模态参数更为准确。因而,选用HHT方法作为后续研究中模态参数识别的主要方法。(3)大跨度悬索桥模态参数与监测环境因素的关系模型研究。在已获得台风期间润扬悬索桥主梁模态参数和相应风速、温度的基础上,利用非线性主成分分析(NLPCA)对其进行预处理,从而建立了环境主成分与模态参数间的人工神经网络模型,并分析了实测模态参数与人工神经网络拟合值之间残差的分布模式,以验证该人工神经网络模型的准确性。最后,依据该人工神经网络非线性预测模型,得到消除环境因素影响的模态参数。研究结果为润扬悬索桥有限元模型修正奠定了基础。(4)基于相关向量机-马尔可夫链蒙特卡洛模拟(RVM-MCMC)方法的大跨度悬索桥有限元模型修正。在润扬悬索桥初始有限元模型的基础上,利用拉丁超立方抽样得到试验样本,并利用基于稀疏贝叶斯理论的相关向量机回归算法得到该桥的动力响应面模型。结合大桥SHMS和现场实测得到的结构模态参数,基于MCMC方法对该桥初始有限元模型进行修正,通过模型修正前后计算与实测结果的对比,验证了该模型修正方法的可靠性。研究结果可为类似大跨度桥梁的有限元模型修正及损伤识别提供参考。

关键词：大跨度悬索桥结构健康监测系统非平稳风特性模态参数监测环境因素有限元模型修正

太原南站模态参数识别及山区风特性的现场实测研究

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太原南站模态参数识别及山区风特性的现场实测研究

作者：段宏康太原理工大学

学位级别：硕士

随着社会经济的发展和城市建设的需要,结构形式复杂、跨度大的建筑物逐渐增多。这些建筑物在服役期内的健康状态引起了广泛的关注。现场实测可以获得结构的实时监测数据,通过分析风速、加速度响应等数据可以评估结构的健康状态。本文基... 详细信息

随着社会经济的发展和城市建设的需要,结构形式复杂、跨度大的建筑物逐渐增多。这些建筑物在服役期内的健康状态引起了广泛的关注。现场实测可以获得结构的实时监测数据,通过分析风速、加速度响应等数据可以评估结构的健康状态。本文基于太原南站健康监测平台,获得了良态强风及非平稳风的风时程数据和多工况激励下的加速度响应,分别对上述内容展开研究。基于太原南站两个测点采集到的的风时程数据,研究了春夏两季太原南站风场良态强风的平均风速、风向、脉动风功率谱,考察了湍流度、湍流积分尺度、阵风因子随平均风速的变化规律,并将春夏两季风特性进行对比;基于太原南站采集到的两种非平稳风时程数据,以平稳风为对照组,处理非平稳风时程数据得到实测脉动风速功率谱密度。通过HHT方法得到脉动风时程Hilbert谱和边际谱,采用演变谱估计的方法研究非平稳风功率谱随时间和频率的变化规律。基于太原南站健康监测系统,对环境激励、列车工况激励、人群激励、施工激励下的加速度响应进行了分析,尤其对一、二、三组列车进出站及列车不停站的工况进行了细致的研究,确定性激励下的加速度响应主要集中在与列车荷载轴重频率（fv1、fv2、fv3）、站房自振频率相关的几个频点内,各个工况下的加速度响应峰值均小于规范规定的限值,等效峰值加速度（ESPA）曲线能较好地反映太原南站结构的舒适度水平。接下来识别密频结构振动响应的模态参数,通过特征实现算法（NEx T-ERA）、随机子空间法（SSI）以及随机减量法（RDT）三种时域方法对加速度响应进行模态分解和动力参数识别。对于太原南站这种大跨度结构,其振动模态为低频密集的,由于SSI和NEx T-ERA在识别模态参数的普遍性、精确度和计算效率上要远远优于RDT,故使用SSI和NEx T-ERA方法可以很好的识别到模态参数,使用RDT方法能够得到模态参数的幅值相关性。最后,对本文研究内容做出总结,指出接下来的研究方向。

关键词：山区风特性非平稳风特性响应幅值特性舒适度随机子空间法特征实现算法模态参数

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苏通大桥桥址区实测台风非平稳风谱模型研究

苏通大桥桥址区实测台风非平稳风谱模型研究

作者：徐梓栋东南大学

学位级别：硕士

进入二十一世纪,桥梁工程界掀起了跨海连岛的特大跨径桥梁建设高潮,斜拉桥作为特大跨径桥梁备选桥型之一,其发展备受瞩目。然而,随着桥梁跨度增大,结构刚度降低,大跨度桥梁的风敏感性势必增加,风对大跨度柔性桥梁结构的作用效应将不可... 详细信息

进入二十一世纪,桥梁工程界掀起了跨海连岛的特大跨径桥梁建设高潮,斜拉桥作为特大跨径桥梁备选桥型之一,其发展备受瞩目。然而,随着桥梁跨度增大,结构刚度降低,大跨度桥梁的风敏感性势必增加,风对大跨度柔性桥梁结构的作用效应将不可忽视。已有研究表明,实测台风风速表现出明显的非平稳特征,这与传统风工程研究所基于的平稳随机过程假设存在差异,深入研究实测台风的非平稳特性对桥梁风致振动响应精细化研究以及现有桥梁抗风理论的完善具有重要意义。然而,目前针对大跨度桥梁桥址区开展实测台风非平稳特性研究相对较少,相关研究有待进一步深入。针对目前研究现状,本文以苏通大桥为工程背景,基于该桥结构健康监测系统(Structural health monitoring system,SHMS)开展了实测台风非平稳风特性研究,基于小波变换方法计算了实测台风非平稳脉动风速演变功率谱密度(Evolutionary power spectral density,EPSD),并对其开展了 EPSD 解析模型参数拟合研究,主要研究内容如下:(1)苏通大桥桥址区实测台风脉动风速平稳度研究。基于递归图及其量化分析方法,定义了局部递归率损失指标用以量化分析实测信号非平稳度大小。应用Matlab软件编写了局部递归率损失指标计算程序,并通过数值实验对所提出非平稳度量化分析指标进行评估,评估结果表明所提出局部递归率损失指标可以合理评估实测台风风速信号非平稳度大小。(2)桥址区实测台风平稳与非平稳风特性对比研究。以苏通大桥SHMS实测台风“Kalmaegi”与“Morakot”为研究对象,对实测台风数据平稳度进行分析,并基于平稳与非平稳风速模型开展了实测台风特性对比研究。结果表明,实测台风风速包含非平稳成分,基于不同风速模型所得台风脉动风特性表现出较大差异。(3)实测台风脉动风速的EPSD研究。系统阐述了基于广义谐和小波变换的实测台风脉动风速EPSD估计方法,编制了相应的EPSD估计程序,并通过数值实验对该程序可靠性进行验证。在此基础上,对所选取实测台风非平稳脉动风数据开展了 EPSD估计,并将估计结果同Kaimal演变谱进行对比。结果表明,基于GHWT的非平稳信号EPSD估计方法更加适用于实测台风非平稳脉动风速EPSD估计。总体上,Kaimal演变谱时间切片与实测脉动风速EPSD时间切片吻合良好,但Kaimal演变谱模型在捕捉实测非平稳台风脉动风速时频特征时,其精细化程度有待提升。(4)台风脉动风速EPSD模型参数估计研究。阐述改进拟牛顿迭代法原理,开展数值实验对所编写算法的正确性进行验证。基于改进拟牛顿迭代法,提出台风脉动风速EPSD解析模型参数估计流程。以实测台风“Kalmaegi”估计所得非平稳脉动风速EPSD为拟合数据,采用所提出EPSD解析模型参数估计流程开展模型参数估计研究,并将拟合谱同实测谱进行对比。结果表明,所提出风谱模型参数拟合流程降低了风谱模型参数拟合的计算规模,提高了迭代算法的计算效率。在台风脉动风速实测EPSD极值点附近,拟合谱与实测谱时间切片吻合良好。

关键词：斜拉桥结构健康监测系统递归图递归量化分析非平稳风特性小波变换演变功率谱密度拟牛顿迭代法