车致桥梁动力响应准静态成分的精确提取及应用

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我国现有大量的公路桥梁承受着繁重的交通压力,其中车辆荷载是桥梁在服役期间承受的主要动力荷载。已有研究表明车致桥梁动力响应信号由准静态成分和桥梁自振等引起的动态成分组成,其中准静态成分具有对桥梁损伤较敏感、对环境变化(如温度)不敏感的特点,在多个领域均展现出良好的应用前景。从动力响应中准确提取准静态成分是后续应用的前提与关键,但考虑到不同桥梁的振动特性、路面粗糙度各异,移动车辆的速度也是各不相同,故完成这项工作很有必要但也存在巨大的挑战。本文旨在研究基于车致桥梁动力响应准静态成分的自适应精确提取及应用,内容主要涵盖以下三个方面:(1)研究路面不平顺、荷载移动速度等因素对车致桥梁动力响应的影响;(2)研究基于车致桥梁动力响应自适应且精确提取准静态成分的方法;(3)研究基于本文方法提取的准静态成分在损伤识别和桥梁动力放大系数计算方面的应用。论文首先考虑路面不平顺,推导了简支梁的车致动力响应解析解并分析发现其中包含两种成分,即准静态成分和由桥梁自振及路面不平顺激励引起的振动成分。接着对车致桥梁动力响应中的各成分进行分析,确定了其中的准静态成分能较好的反映桥梁的固有特性,分析了基于车致桥梁动力响应实现准静态成分的自适应精确提取的关键问题。然后,论文通过对车致桥梁动力响应成分的分析提出了基于改进变分模式分解(VMD)算法提取其中的准静态成分。该方法主要由两个关键步骤组成:一是基于粒子群算法(PSO)自适应确定VMD算法的两个关键参数;二是通过互信息熵准则改进VMD算法的端点效应。接着通过数值算例和实际工程的验证,在考虑路面不平顺等级、车辆移动速度、噪声、不同桥型等因素的情况下,从准确性、鲁棒性、适用性三个方面证明了本文提出的车致桥梁动力响应准静态成分自适应精确提取方法的可行性。最后,在考虑路面不平顺激励的基础上推导分析了损伤状态下的车致桥梁动力响应的解析解并确定其中包含两种信号成分,即准静态成分和由桥梁自振和路面不平顺激励引起的振动成分。并发现其中的准静态成分具有对损伤较敏感的特性。数值算例采用车桥耦合模型计算损伤前后的车致桥梁动力响应并基于前文所述的改进VMD方法提取准静态成分,将提取出的准静态成分用于桥梁损伤识别和计算桥梁动力放大系数,取得了较好的应用效果。
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