环境激励下结构模态参数的识别方法

传统的模态参数识别方法同时需要已知激励和响应信号,但对实际建筑结构,激励施加存在困难。探讨了基于环境激励下的模态参数识别方法,提出采用随机减量法和ITD（Ibrahim Time Domain）法相结合来识别实际结构的模态参数。数值仿真算例识别结果表明,该方法不仅能准确的识别出结构的模态频率和阻尼比,也能准确的提取结构的模态振型,适合于环境激励下的结构工作模态参数识别。     

随机子空间法参数识别与有限元分析

随机子空间法是近些年来发展起来的一种线性系统识别方法,可以有效地从环境激励的结构反应中获取模态参数。属于时域的方法,这种时域识别方法基于状态空间模型,仅利用结构输出反应,避免了传统的人工识别和迭代过程。它不仅可以识别结构的频率,而且可以识别结构的阻尼和振型。介绍了随机子空间的理论,用该方法对一框架模型进行参数识别,通过与有限元识别结果的比较证明了随机子空间方法不失为一种有效的模态参数识别方法。     

环境激励下钢筋混凝土梁模态参数识别研究

基于频域解(FDD)的模态参数识别理论,采用加速度计测量了钢筋混凝土梁的振动响应信息,研究了环境激励下钢筋混凝土梁结构的模态参数识别。通过与理论计算结果分析对比表明,基于频域分解的模态识别方法在环境激励下较好地识别出了钢筋混凝土简支梁实验试件的模态参数。该方法可用于环境激励下钢筋混凝土梁结构的模态参数识别。     

基于ARMA模型识别工程结构模态参数

对基于环境激励下运用时间序列法ARMA模型对工程结构模态参数的识别进行研究。结合传统模态试验,对一个多层框架结构进行了模态参数识别的对比试验,试验结果显示:二者在模态参数识别上具有高度的一致性。分析表明:时间序列法ARMA模型能够在传统模态试验难以进行的环境下,准确有效地识别工程结构的模态参数,为结构的在线监测和抗震设计等提供模态参数,具有一定的工程应用价值。     

识别结构缺陷和模态参数的工程与环境物探方法

介绍了识别结构缺陷和结构模态参数的工程与环境物探方法,使用地质雷达对高速公路路面结构的质量进行现场检测,获得了满意的结果。利用地表常时微动和正常风荷载组合作为高层建筑的随机环境激励,对高层建筑的低阶模态参数识别明显。其它研究资料表明,环境激励用于桥梁结构的模态识别也十分成功。     

框架结构模态参数识别时域方法的比较研究

通过对4层钢框架模型试验得到环境激励下的位移响应,运用ITD、STD、复指数法、ERA、随机子空间法等5种时域方法来识别结构的模态参数,从而验证了5种方法在结构参数识别中应用的可行性。5种方法对频率的识别比较精准,对阻尼比的识别精度相对较差。通过与试验数据对比,同时对大量数据的处理发现,随机子空间法和ERA法对模态参数的识别最为精准,STD法和复指数法次之,ITD法的识别精度较差。     

基于随机子空间结合稳定图的拱桥模态参数识别方法

为了避免目前常用的结构模态参数识别方法容易出现虚假模态等缺陷,提出了一种将随机子空间法与稳定图法相结合的模态参数识别方法。通过随机子空间法有效地从环境激励的结构响应中获取模态参数,通过稳定图方法确定系统阶次。通过对稳定图方法的改进,避免了虚假模态的出现,进而提高了随机子空间方法的识别精度,并在一钢管混凝土拱桥上对这种新方法进行了验证。结果表明,该方法具有良好的识别效果。     

立筒单仓模型动力测试与参数识别研究

以某粮库立筒仓结构单仓模型为研究对象,进行了环境激励测试方案和模态参数识别研究。结合单仓自身的结构特点,提出了切实可行的测点布置方案和分批测试方案。通过对测试数据进行预处理分析,消除了原始信号的趋势项,保留了所感兴趣的频率信号。利用时域模态参数识别方法识别得到了单仓有效的频率、阻尼比和振型,并与传统峰值拾取法识别结果进行了对比分析,实现了互补和验证。单仓研究结果可用于指导在役立筒仓结构的环境激励测试和模态参数识别研究。     

桥梁结构模态参数识别的环境激励法

从峰值法和时域识别的随机子空间法对桥梁结构模态参数识别的环境激励法进行了分析,并通过实例分别采用有限元法,典型波形识别法,PP法和SSI法进行讨论,从而确保系统识别结果的正确性。     

环境激励下房屋建筑的阻尼比识别

阻尼比的准确取值一直是结构动力分析的难点,由于阻尼机理非常复杂,对阻尼比的取值一般通过实测得到。传统的模态参数识别方法需要同时利用激励和响应信号,但对实际建筑结构,激励施加存在困难。探讨了基于环境激励下的模态识别方法,利用环境激励(如施工机械振动、风、车辆、行人、地脉动等)下的结构振动响应数据,采用随机子空间(Stochastic Subspace Identification)法,有效地识别实际建筑结构的模态参数的方法。工程实例的模态参数识别结果表明,该方法不仅能准确识别出结构的模态频率,还能相对准确地得到结构的模态阻尼比。     

基于虚拟激励法的高耸结构风荷载识别

采用时间序列分析中的AR模型方法模拟烟囱不同节点的水平脉动风压时程。将水平脉动风压时程加载到烟囱有限元模型中得到位移时程和加速度时程。对烟囱有限元模型进行模态分析得到结构的固有频率。利用虚拟激励法建立了由测点响应来识别结构风荷载的方法,并通过与AR模拟所用的风压谱相比较来判别识别方法的准确性。     

Modal Response‐Based Visual System Identification and Model Updating Methods for Building Structures

This article proposes a new system identification (SI) method using the modal responses obtained from the dynamic responses of a structure for estimating modal parameters. Since the proposed SI method visually extracts the mode shape of a structure through the plotting of modal responses based on measured data points, the complex calculation process for the correlation and the decomposition for vibration measurements required in SI methods can be avoided. Also, without dependence on configurations of SI methods inducing variations of modal parameters, mode shapes and modal damping ratios can be stably extracted through direct implementation of modal response. To verify the feasibility of the proposed method, the modal parameters of a shear frame were extracted from modal displacement data obtained from a vibration test, and the results were compared with those obtained from the existing frequency domain SI method. The proposed method introduces the maximum modal response ratio of each mode computed by modal displacement data, and from this, the contribution of each mode and each measured location to the overall structural response is indirectly evaluated. Moreover, this article proposes a model updating method establishing the error functions based on the differences between the analytical model and measurement for the natural frequencies and the modal responses reflecting both mode shape and modal contribution. The validity of the proposed method is verified through the response prediction and modal contributions of the models obtained from model updating based on dynamic displacement from a shaking table test for a shear‐type test frame.     

地震作用下悬臂类结构的模态截断方法

为估计模态叠加法中模态截断对结构地震作用下位移、速度、加速度反应的影响，对比分析了累积振型参与质量误差、静荷载参与比误差、质量相关荷载作用下的位移误差、累积振型贡献系数误差、累积振型加速度贡献系数误差和单位阵误差等模态截断指标随模态数目增加的变化规律。以一个5层剪切框架、一个单向不对称的4层框架和一个框架支撑结构的地震反应为例，讨论了结构位移、速度和加速度反应的模态截断误差与模态截断指标的关系。算例分析结果表明，静荷载参与比误差高估了低阶模态的影响而使模态截断数目偏少；质量相关荷载作用下的位移误差所得模态数目不稳定，这两个指标不适合作为模态截断的依据。对于悬臂类结构，模态截断所产生的累积误差以加速度的最大，速度的次之，位移的最小；对于位移反应，首层平动位移的累积振型贡献系数误差和累积振型参与质量误差可作为位移反应模态截断的依据；高阶模态对结构加速度反应的贡献大于对位移反应的贡献，应采用累积振型加速度贡献系数误差作为加速度反应模态截断的依据。     

基于模态挠度的斜交桥静载试验数值方法

为了探讨不中断交通情况下进行桥梁静载试验的可行性,以斜交简支空心板桥龙山桥为研究对象,研究基于模态挠度的静载试验应用于斜交板桥承载力评估的计算精度问题。首先利用环境激励获得桥梁在运营状态下的模态参数,再采用附加质量法对桥梁模态振型进行质量归一化,计算桥梁的位移柔度矩阵,最后利用位移柔度矩阵和等效荷载分配的方法计算桥梁的模态挠度。建立龙山桥的有限元梁格计算模型,根据荷载试验规程设计了静载试验中载和偏载2个加载工况,利用龙山桥的前5阶模态参数计算位移柔度矩阵,预测桥梁在2个加载工况下各控制截面的模态挠度,并与有限元模型计算挠度和实测挠度相对比。结果表明:中载工况下模态挠度与计算挠度相比,相对误差均小于5%,控制截面最大计算相对误差为3.55%; 偏载工况下模态挠度与计算挠度相比,相对误差均小于6%,控制截面最大相对误差为5.15%,能够满足工程精度要求; 模态挠度能够有效代替桥梁静载试验的实测静载挠度,利用模态挠度评估桥梁承载力具有较强的有效性和可行性。     

台风激励下海口市某高层建筑模态参数识别

对2014—2017年期间一栋由4根巨柱支撑、高108m的32层塔楼在台风影响下的楼顶风场和动力响应进行同步监测，获得台风“威马逊”、“海鸥”、“彩虹”、“莎莉嘉”和“卡努”影响下该楼顶部的风速、风向和不同楼层沿长、短轴向的加速度响应时程，分析了加速度响应的时域和频域特性，采用ERA-NExT、RDT、有限元法识别了实测高层建筑的模态参数，研究了与加速度幅值相关的模态频率和阻尼比。统计结果表明：强风作用下高层建筑模态频率低于静风状态下的模态频率，当加速度均方根小于10mm/s²时，顺、横风向前三阶模态频率随加速度幅值增大而减小，顺风向前三阶模态阻尼比随加速度幅值增大而增大；当加速度均方根大于10mm/s²时，顺、横风向前三阶模态频率减小速率逐步减小，顺风向前三阶模态阻尼比未出现明显增大。当峰值加速度达到最大时，沿长、短轴向一阶模态阻尼比约为2.0%、1.9%，相比静风状态下前三阶模态频率下降了约11%、12%、10%，并提出了考虑相对加速度幅值(加速度均方根与测点离地高度比值)参数影响的高层建筑基频预测公式，为台风多发区域高层建筑基频的估算提供参考。     

Studies on damage and FRP strengthening of reinforced concrete beams by vibration monitoring

In this paper, modal characteristics of reinforced concrete beam specimens are identified using experimental test data. Nine concrete beam specimens were gradually damaged and the changes of dynamic parameters were monitored from initial to the failure state. Six of the specimens were strengthened with externally bonded CFRP sheets when the load reached approximately half of the predicted failure load. The identification methods based on measured modal parameters were utilized and the efficiencies of these methods were investigated. These methods include frequency changes, Modal Assurance Criterion (MAC), Coordinate Modal Assurance Criterion (COMAC) and modal curvatures. The comparison of the methods shows that the frequency changes are not fully capable of detecting damage and predicting the potency of strengthening. The MAC values can reveal the changes of overall stiffness of the beams during the load steps. The change of stiffness at each degree of freedom of beams evaluated by COMAC and modal curvatures show that the damage identification of the beam specimens is best described by modal curvature method.     

低矮小开口剪力墙自由振动问题的半解析解

针对低矮小开口剪切型剪力墙,研究基于直接模态摄动法原理的结构动力特性的半解析分析方法。首先把低矮小开口剪力墙视为变截面的剪切型悬臂结构,依据连续系统动力分析原理建立剪切型剪力墙自由振动分析的变系数微分方程;然后利用等截面剪切型悬臂结构模态函数的解析解和直接模态摄动法原理,考虑剪力墙中小开口对系统特征值和主模态所带来的影响,并进行修正;最后应用Ritz变换,将低矮小开口剪力墙的自振特性分析问题转化为一组非线性代数方程的求解问题,进而求得该类剪力墙自振特性的近似半解析解。算例结果表明,该方法对以剪切变形影响为主的低矮小开口剪力墙动力分析简便有效。     

某多层砌体教学楼环境振动试验及其模态分析

本文进行某多层砌体结构教学楼环境振动试验,利用基于传递率参数识别方法进行教学楼动力参数识别,并与该楼MI-DAS三维有限元模型理论计算结果进行比较,得出一些有价值的结论。     

基于模态区间分析的结构不确定性损伤评估

针对实际工程结构中难以避免的不确定性因素,如材料非均质、边界条件不清晰、测试误差、模型误差等,提出利用模态区间分析求解包含不确定性参数的梁损伤评估方法。首先建立钢箱梁和钢筋混凝土梁的计算模型,以区间形式定义梁几何、材料参数的不确定性,体现各参数的可能波动范围;然后将结构静力学方程扩展成区间方程,通过模态逻辑对区间方程进行重新释义;最后在梁上施加集中荷载,计算得到梁关键应变点的区间工作状态。分析中通过降低梁单元的弹性模量来模拟损伤,再比较确定性方法、经典区间算法和模态区间分析的计算结果。结果表明:与确定性损伤评估方法不同,区间算法允许结构包含不确定性参数,认为落在区间包络线内的应变值是合理的,而当某荷载下应变值超出包络范围时说明梁发生了损伤;模态区间分析计算得到的区间包络范围要明显小于经典区间算法,能够有效避免计算过程的参数区间扩张,而且可以及时发现梁的损伤和损伤时所对应的外荷载,避免结构损伤进一步的恶化。     

阻尼特性对组合结构地震反应的影响

首先根据组合结构的特点,通过输入简谐波分别计算了3种等效振型阻尼比模型时组合结构的地震反应,并与非比例阻尼模型时的真实地震反应相比较,讨论了不同等效振型阻尼比模型对组合结构地震反应的影响;然后根据共振条件下结构动力反应的相对误差,推导了组合结构等效振型阻尼比的估算公式;最后通过输入简谐波和实际El Centro地震波验算了这一等效振型比例阻尼比模型的计算精度。结果表明:任意假定组合结构的等效振型阻尼比是不合理的,有时会低估组合结构的地震反应;该估算方法具有很高的计算精度。