基于随机方法的大跨桥梁气动参数识别研究

本课题以紊流风场中获取桥梁结构气动参数的随机振动识别方法为主要内容。围绕这一主题，对气动参数随机识别的核心算法、仿真研究、桥梁节段模型气动导数和气动导纳识别的风洞试验研究、气动参数之间的关系等方面展开详细研究。首先，在传统随机子空间方法基础上，提出了改进随机子空间方法，数值仿真结果表明该方法有助于提高模态振型的识别精度，进而提高气动导数的识别精度。其次，基于气动导数（或阶跃函数）与气动导纳之间的近似关系，提出一套新的识别方法用来获取完整的气动导纳函数。该方法秉承了利用紊流风场中桥梁节段模型抖振响应同时识别气动导数和气动导纳这一基本思路，因此具有风洞试验简单易行、风场对结构的作用更符合实际工作状态等优点。最后，以几种典型桥梁断面为例，验证了本课题所提出方法的可行性。 2100433B

随着科学技术的进步，高强度材料的不断涌现，现代桥梁的跨度不断增大。桥梁跨径的增大使得结构刚度和阻尼随之降低，这大大增加了结构对风的敏感性，风致振动问题也日益突出。因此，避免桥梁结构发生发散性的危险振动，同时将限幅振动的振幅控制在可以接受的范围内已经成为大跨桥梁设计过程中必须关注的重要问题。在桥梁风致振动分析中，各种类型的气动参数扮演着重要角色，其中尤以桥梁主梁断面的气动导数、气动导纳和阶跃函数最受关注。本研究以紊流风场中获取桥梁结构气动参数的随机振动识别方法为主要内容。围绕这一主题，对气动参数随机识别的核心算法、仿真研究、桥梁节段模型气动导数和气动导纳识别的风洞试验研究、气动参数之间的关系等方面展开详细研究，以期建立一套完善的桥梁气动参数随机识别方法。

如何科学地评估服役桥梁结构的性能是工程领域遇到的难题之一，而基于桥梁静动力实验基础上的结构识别是解决这个难题的最好的途径。由于传统的单模型结构识别理论在面临多种误差来源时存在着局限性，成功的桥梁结构识别例子不多且应用前景并不为桥梁管理部门所看好。本研究将在分析结构识别中误差来源的基础上用多模型的方法进行桥梁结构识别研究，用来探索提高桥梁结构性能评估及决策的可靠性问题。本项目主要研究内容包括，基于桥梁模型碎片库的交互式编程的建模研究，基于最大熵原理的多模型结构传感器最优布设方法，基于数据挖掘技术的多模型分类和甄选，以及基于贝叶斯统计理论的多模型结构反应预测。构造的科学问题是通过融合建模、传感器优化布置、数据挖掘和贝叶斯统计方法，利用多模型结构识别方法科学地评估桥梁性能并提供决策支持。该研究对阐明多模型结构识别原理和提高结构识别的可靠性有着重要意义。

由于传统的单模型结构识别理论在面临多种误差来源时存在着局限性，本研究将在分析结构识别中误差来源的基础上用多模型的方法进行桥梁结构识别研究，用来探索提高桥梁结构性能评估及决策的可靠性问题。为深入研究该问题，对一系列实验室和工程实际结构进行了测试和理论分析， (1) 对一根钢筋混凝土简支梁进行了一系列静动力试验，模态柔度能综合全面地反映钢筋混凝土简支梁的损伤位置和损伤程度。 钢筋混凝土简支梁的边界条件对模态参数影响大，基于Strand7 API-Matlab交互访问修正不同损伤工况简支梁的物理参数，获得钢筋混凝土简支梁的刚度梯形退化曲线。 (2) 对一根钢筋混凝土连续梁进行了静动力测试，选取混凝土的弹性模量和密度、中间支座刚度及端部支座刚度4个模型碎片建立了10000个有限元模型，研究模型碎片的灵敏度和位移测点熵值排序，并运用静力位移和模态频率进行基于误差阈值的多模型甄选。 (3) 设计一组空框架、粘土砖框架和填充墙框架的对比试验，分别研究填充墙的附加质量和附加刚度对钢筋混凝土框架模态参数的影响。 (4) 对一座实验室钢-混凝土组合板进行脉冲锤击测试实验。设计了三种损伤工况，通过对比结构损伤前后的模态柔度位移信息，成功实现了组合板的损伤识别。然后，通过静力加载造成试验板的静力损伤，利用模态柔度方法成功地识别出静力损伤的位置和损伤程度。并基于Strand7有限元软件和Matlab应用程序的API交互访问技术对钢-混凝土组合板结构进行有限元模型修正。 (5) 对广西来宾市高层建筑进行动力测试。三种随机振动信号分析方法被用来进行工作模态分析，获得高层建筑的前12阶模态参数。 在Sap2000中建立使用斜撑和壳体来考虑填充墙刚度的两种模型，并使用动力测试数据进行修正，然后进行振型反应分解谱分析并与PKPM模型的计算结果进行对比，来探讨现行规范中周期折减系数的合理性。 (6) 对拱桥结构来华大桥进行了随机振动试验，对桥面板和拱肋进行了随机激励测试。通过频域CMIF方法和随机子空间的SSI方法对模态参数进行了识别。建立桥梁三维有限元模型，并对有限元模型参数进行修正来减小理论和试验之间的差值。最终对桥梁进行静载试验来比较模型校验前后差别。 2100433B