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        基于COV-SSI算法在橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別中的運(yùn)用

        2020-07-09 10:37:00尹紅燕
        新紀(jì)實(shí) 2020年1期

        尹紅燕

        【摘 要】目前,模態(tài)參數(shù)識(shí)別算法被學(xué)者廣泛運(yùn)用于識(shí)別橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)結(jié)果,而隨機(jī)子空間算法作為模態(tài)參數(shù)識(shí)別算法中的主要算法之一。

        【關(guān)鍵詞】橋梁結(jié)構(gòu);隨機(jī)子空間算法;斜拉橋;模態(tài)參數(shù)

        現(xiàn)階段,模態(tài)參數(shù)識(shí)別算法被廣泛學(xué)者所接受,其主要原因是因?yàn)樵撍惴軌蚝芎玫淖R(shí)別出各種結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)結(jié)果[1],包括固有頻率值、阻尼比以及模態(tài)振型。鑒于此,該算法被橋梁學(xué)者運(yùn)用于識(shí)別橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)結(jié)果,并通過(guò)分析這些參數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)來(lái)間接辨識(shí)該橋梁結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能指標(biāo);當(dāng)頻率值發(fā)生較大變化時(shí),則表明該橋梁結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件發(fā)生了一定程度的變化,此時(shí)則可安排相關(guān)技術(shù)人員去現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)結(jié)構(gòu)是否真的存在損傷,進(jìn)而達(dá)到提前預(yù)知結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)[2]。

        一、COV-SSI算法基本原理

        隨機(jī)子空間算法[3]主要分為兩大類,即基于協(xié)方差驅(qū)動(dòng)隨機(jī)子空間識(shí)別法(Covariance-Driven Stochastic Subspace Identification, COV-SSI)和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)隨機(jī)子空間識(shí)別法(Data driven Stochastic Subspace Identification ,DATA-SSI)。對(duì)比分析兩種算法,本文選擇COV-SSI為參數(shù)識(shí)別算法,主要原因?yàn)樵撍惴ㄏ啾菵ATA -SSI,在計(jì)算過(guò)程中添加了協(xié)方差計(jì)算,雖然耗時(shí)長(zhǎng),但識(shí)別結(jié)果更為準(zhǔn)確。

        COV-SSI算法的基本步驟如下所示:

        (1)通過(guò)傳感器采集結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào),并構(gòu)造Toeplitz矩陣,即:

        (8)

        (2)奇異值分解(SVD);

        (9)

        (3)求解擴(kuò)展可觀矩陣和擴(kuò)展可控矩陣;

        (10)

        (4)求解和;

        (11)

        (5)根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣和輸出矩陣識(shí)別出結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)結(jié)果。

        根據(jù)以上5個(gè)步驟便能識(shí)別出橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)結(jié)果,各步驟中的相關(guān)參數(shù)及詳細(xì)的算法流程見(jiàn)文獻(xiàn)[3]。

        二、工程概況

        本文以某斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?,利用COV-SSI算法識(shí)別其主梁的模態(tài)參數(shù)結(jié)果。

        (一)橋梁概況

        橋梁的主跨為380m,邊跨為130m,對(duì)該橋梁結(jié)構(gòu)按照20倍的縮放比例進(jìn)行試驗(yàn),其對(duì)應(yīng)的橋型布置圖見(jiàn)圖1所示。該斜拉橋的主梁上共設(shè)置11個(gè)傳感器用于收集其主梁在各時(shí)間的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)。

        圖 1 橋型布置圖

        (二)識(shí)別結(jié)果

        識(shí)別得到該橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定圖,見(jiàn)圖2所示。根據(jù)該圖可知:

        1.該斜拉橋的前7頻率值分別為1.16Hz、2.54Hz、2.93Hz、4.06Hz、4.67Hz、6.15Hz、8.19Hz;

        2.該大型斜拉橋的前7階頻率值均在0-10Hz內(nèi)。

        圖2 穩(wěn)定圖結(jié)果

        COV-SSI算法不僅能識(shí)別出橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率值,還能有效識(shí)別出其模態(tài)振型結(jié)果。因篇幅有限,本文僅展示第三階模態(tài)振型識(shí)別結(jié)果,見(jiàn)圖3所示。

        圖 3 識(shí)別模態(tài)振型圖

        為了驗(yàn)證該階模態(tài)振型與理論振型具有相似性,本文利用MIDAS CIVIL建立三維模型,并通過(guò)特征值分析,識(shí)別其第三階模態(tài)振型,如圖4所示。

        圖4 理論模態(tài)振型圖

        對(duì)比圖3和圖4可知,COV-SSI算法能夠有效識(shí)別出該斜拉橋的模態(tài)振型,且識(shí)別的相似度達(dá)到90%。

        隨著橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用,其各結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生不同程度的損傷,一旦損傷達(dá)到一定的程度便會(huì)發(fā)生破壞。鑒于此,有相關(guān)學(xué)者提出了:通過(guò)識(shí)別橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)結(jié)果,分析這些參數(shù)結(jié)果在不同時(shí)間段內(nèi)的變化情況,進(jìn)而間接地辨識(shí)其運(yùn)營(yíng)狀態(tài)是否處于良好的階段。本文提出了利用COV-SSI算法識(shí)別橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù),并簡(jiǎn)單介紹了該算法的基本理論,最后以某大型斜拉橋試驗(yàn)為背景進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別。

        參考文獻(xiàn):

        [1]劉宇飛,辛克貴,樊健生,崔定宇.環(huán)境激勵(lì)下結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法綜述[J].工程力學(xué). 2014(04).

        [2]章國(guó)穩(wěn).環(huán)境激勵(lì)下結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)自動(dòng)識(shí)別與算法優(yōu)化[D].博士學(xué)位論文.重慶:重慶大學(xué).2014.

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