基于健康監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁渦激共振自動識別及響應特征

發(fā)布時間：2020-08-19 16:13

【摘要】：渦激共振(簡稱渦振)是大跨橋梁的一種風致振動現(xiàn)象,國內外數(shù)十座橋梁出現(xiàn)過這一病害。對于大跨柔性橋梁,渦激共振起振風速低,渦振問題更為突出。渦激共振涉及到流體與結構氣動耦合非線性效應,機理極為復雜,準確預測渦振仍然十分困難。結構在線監(jiān)測技術通過測量結構發(fā)生渦激共振時的來流風參數(shù)及結構動力響應,為研究渦激共振問題提供了有力的手段。結構監(jiān)測系統(tǒng)實測的結構響應大部分數(shù)據(jù)為風致抖振、車輛振動或者二者的結合等一般的環(huán)境振動(本文所指的環(huán)境振動為此類隨機振動),只有極少數(shù)為渦激共振響應。結構在線監(jiān)測數(shù)據(jù)量龐大,每年數(shù)據(jù)量高達數(shù)個TB,如何從海量實測數(shù)據(jù)中自動識別出渦激共振響應是一個必須解決的關鍵問題,不僅是工程實踐及研究渦激共振問題的需要,還可為實現(xiàn)渦激共振半主動控制奠定基礎。本論文在對國內外研究與應用現(xiàn)狀進行綜合評述分析的基礎上,以我國目前最大跨度的西堠門懸索橋為工程背景,利用結構健康監(jiān)測系統(tǒng)實測的海量數(shù)據(jù),對渦激共振的自動識別及實測渦激共振的響應特征開展了研究。具體研究內容和主要結論如下:(1)基于實測主梁加速度響應識別了西堠門大橋主要豎彎模態(tài)頻率及阻尼比。采用解析模式分解(Analytical mode decomposition,AMD)的隨機減量技術(Random decrement technique,RDT)從西堠門大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)實測主梁豎向加速度響應數(shù)據(jù)中提取了在不同風速下的模態(tài)頻率和模態(tài)阻尼比特征,并統(tǒng)計了結構阻尼比,結果表明:(i)隨著風速的增大,各階豎彎模態(tài)的頻率基本保持不變;(ii)當風速小于渦激共振風速鎖定區(qū)間時,對應的各階模態(tài)的阻尼比具有離散性但是整體變化不大,當風速位于鎖定區(qū)間時,阻尼比降低,然后隨著風速的增大,阻尼比呈現(xiàn)增大的趨勢。(2)對識別的西堠門橋豎彎模態(tài)的振型阻尼比進行了統(tǒng)計分析。得到的各階振型阻尼比的50分位值和平均值分別為:第一階模態(tài)0.323%、0.428%;第二階模態(tài)0.305%、0.347%;第三階模態(tài)0.196%、0.224%;第四階模態(tài)0.266%、0.292%;第五階模態(tài)0.871%、0.914%;第六階模態(tài)0.356%、0.384%;第八階模態(tài)0.691%、0.732%;第九階模態(tài)0.422%、0.429%。總體而言,大部分豎彎模態(tài)的振型阻尼比要小于我國規(guī)范建議值0.5%;反對稱模態(tài)(第5和第9階)的阻尼比要高于對稱豎彎模態(tài)。(3)從理論上證明了基于隨機減量處理的渦激共振響應仍然為簡諧響應,這是區(qū)別于環(huán)境隨機振動的典型特征�；谶@一顯著差異,提出了基于隨機減量技術的渦激共振自動識別方法。通過數(shù)值仿真對該方法進行了驗證,結果表明:提出的方法可以有效區(qū)分環(huán)境隨機振動和渦激共振。(4)根據(jù)環(huán)境振動與渦激共振功率譜之間的顯著差異,提出了基于新奇檢測技術的渦激共振自動識別研究方法。該方法視橋梁的環(huán)境隨機振動為正常狀態(tài),采用隨機振動響應的功率譜作為輸入,通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練并建立正常狀態(tài)模式;渦激共振時其功率譜發(fā)生異常,識別出渦激共振。通過仿真模擬驗證了本方法的可行性。(5)采用提出的渦激共振自動識別方法,對西堠門大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)進行了渦激共振自動識別,對識別的渦激共振特征進行了統(tǒng)計分析。結果表明:(i)本文提出的兩種方法均能準確自動識別渦激共振;(ii)該橋第2階至第9階豎彎模態(tài)均發(fā)生了渦激共振;(iii)風向基本垂直于順橋向,各階模態(tài)的渦激共振具有顯著地風速鎖定區(qū)間;(iv)發(fā)生渦激共振時紊流度多集中在15%以下,且紊流度較大時渦激共振振動振幅將減小。
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U441
【圖文】：

風致振動,橋梁,風速,扭轉發(fā)