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大跨空间钢结构模态参数识别与环境变异性研究

作　者: 卢云军
导　师: 滕军
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 结构工程
关键词: 大跨钢结构模态参数识别随机子空间法系统定阶模态频率环境变异性
分类号: TU393.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 82次
引　用: 2次
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内容摘要

在2008年北京奥运会的带动下,我国兴建了一大批外形独特、体系复杂的大跨空间钢结构,这些结构通常是人员聚集的大型活动场所,其安全性非常重要。为了保证这些结构在使用期间的安全性,很多都建立了相应的健康监测系统,采取故障预警措施。模态参数识别是结构健康诊断和损伤评估的重要基础,但由实测数据识别得到的结构模态参数会受到环境因素的影响,需要分析环境因素对识别结果的影响,进而与损伤引起的模态参数改变区分开来。本文研究了模态参数识别的随机子空间方法,编制了随机子空间法MATLAB程序,给出了系统阶次对随机子空间法识别结果的影响规律。针对随机子空间方法系统阶次难以确定的问题,本文引用奇异熵增量作系统定阶,仿真算例表明该方法有效,可以快速、准确地确定系统阶次。算例证实了随机子空间法能够识别密集模态,可以用于大跨度空间钢结构模态参数识别。研究了温度对网架结构和网壳结构模态频率的影响。分析表明,网架结构的模态频率与温度负相关,而网壳结构的模态频率与温度正相关,并且网壳结构模态频率对温度更敏感。温度对不同的结构体系模态频率的影响规律不同,不同结构体系模态频率的温度敏感性也不同,需要针对具体的结构形式做具体分析。采用国家游泳中心健康监测系统采集的温度、风速和振动数据,研究了国家游泳中心钢结构模态频率的环境变异性。分析表明,国家游泳中心钢结构竖向模态频率与温度负相关,低阶模态频率变化率大于高阶模态,并呈单调递减趋势。国家游泳中心钢结构竖向模态频率与风速也是负相关,对于风速的影响,高阶模态频率变化率大于低阶模态。温度和风速对国家游泳中心钢结构模态频率的影响不可忽略,甚至会淹没结构轻微损伤造成的频率变化,在大跨空间钢结构的模型修正和损伤识别等研究中宜考虑温度和风速的影响。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-24
  1.1 课题来源及研究的背景和意义  10-12
    1.1.1 课题来源  10
    1.1.2 研究背景及意义  10-12
  1.2 环境振动模态参数识别基本方法回顾  12-18
    1.2.1 峰值法  14
    1.2.2 频域分解法  14-15
    1.2.3 正交多项式法  15
    1.2.4 时间序列识别方法  15-16
    1.2.5 随机减量法  16
    1.2.6 NExT法  16
    1.2.7 特征系统实现方法(ERA)  16-17
    1.2.8 随机子空间方法  17
    1.2.9 小波变换的模态参数识别  17-18
    1.2.10 基于HHT变换的模态参数识别  18
  1.3 随机子空间法研究现状与分析  18-20
    1.3.1 国外研究现状  18-19
    1.3.2 国内研究现状  19-20
    1.3.3 值得进一步研究的问题  20
  1.4 环境因素对结构模态参数影响研究现状与分析  20-22
    1.4.1 国外研究现状  20-21
    1.4.2 国内研究现状  21
    1.4.3 值得进一步研究的问题  21-22
  1.5 本文主要研究内容  22-24
第2章模态参数识别的随机子空间方法  24-39
  2.1 引言  24-25
  2.2 系统的状态空间方程  25-29
    2.2.1 连续状态空间方程  25-26
    2.2.2 离散状态空间方程  26-27
    2.2.3 随机状态空间  27-28
    2.2.4 随机状态空间模型的性质  28-29
  2.3 模态参数提取  29-30
  2.4 协方差驱动随机子空间算法  30-34
    2.4.1 定义Hankel矩阵  30-31
    2.4.2 输出协方差矩阵  31-32
    2.4.3 块Toeplitz矩阵分解  32-33
    2.4.4 识别系统矩阵  33-34
  2.5 数据驱动随机子空间算法  34-36
    2.5.1 卡尔曼滤波状态序列  34
    2.5.2 识别系统矩阵  34-36
  2.6 随机子空间算法流程图  36-37
  2.7 本章小结  37-39
第3章随机子空间法定阶研究  39-52
  3.1 引言  39
  3.2 系统阶次对随机子空间法识别结果的影响  39-41
  3.3 基于奇异熵的系统定阶方法  41-45
    3.3.1 熵的定义  42
    3.3.2 奇异谱理论  42-43
    3.3.3 奇异熵  43-44
    3.3.4 奇异熵增量确定系统阶次  44-45
  3.4 网架结构仿真算例  45-51
    3.4.1 有限元分析  45-47
    3.4.2 系统定阶与参数识别  47-49
    3.4.3 功率谱曲线辅助判断虚假模态  49-51
  3.5 本章小结  51-52
第4章大跨空间钢结构模态频率的温度影响  52-66
  4.1 引言  52
  4.2 温度对结构作用概述  52-54
    4.2.1 温度荷载的形成与特点  52-53
    4.2.2 温度应力产生的条件  53-54
    4.2.3 空间网格结构温度应力计算  54
  4.3 网架结构模态频率的温度影响  54-62
    4.3.1 简支梁弯曲振动基本方程  55-56
    4.3.2 有轴向力作用的情况  56-58
    4.3.3 求解振动方程  58-59
    4.3.4 温度对网架结构自振频率的影响  59
    4.3.5 数值模型验证  59-62
  4.4 网壳结构模态频率的温度影响  62-63
  4.5 数值模型仿真  63-65
    4.5.1 仿真结果分析  65
  4.6 本章小结  65-66
第5章国家游泳中心钢结构模态频率的环境变异性  66-76
  5.1 引言  66
  5.2 工程概况与传感器布置  66-69
    5.2.1 工程概况  66-68
    5.2.2 传感器布置  68-69
  5.3 监测数据选取与模态参数识别  69-71
    5.3.1 监测数据选取  69-70
    5.3.2 模态参数识别  70-71
  5.4 识别结果与分析  71-74
    5.4.1 频率与温度关系  71-73
    5.4.2 频率与风速关系  73-74
  5.5 本章小结  74-76
结论  76-78
参考文献  78-84
攻读硕士学位期间发表的论文  84-86
致谢  86

大跨空间钢结构模态参数识别与环境变异性研究

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