[发明专利]基于广义子空间溯踪的时变结构模态参数辨识方法

说明书

本发明涉及基于广义子空间溯踪的时变结构模态参数辨识方法，步骤如下：首先测量具有时变特性的结构的振动响应，根据振动响应监测数据构造多维的时延向量，计算该向量的相关函数矩阵，并采用特征值分解来对广义子空间溯踪算法进行初始化；然后，通过引入遗忘因子，根据新的振动响应监测数据对多维时延向量的相关函数矩阵进行在线更新，并采用广义子空间溯踪算法来对正交矩阵Π(k)进行在线更新，最后根据更新的正交矩阵Π(k)，计算任意时刻的离散状态空间矩阵和观测矩阵，并对离散状态空间矩阵进行特征值分析，提取结构的模态频率、阻尼比和振型等模态参数。本发明适用多个领域的时变结构的模态参数辨识，使用简单方便、计算精度高、鲁棒性强和计算效率高。

技术领域

本发明具体涉及一种基于广义子空间溯踪的时变结构模态参数辨识方法。

背景技术

水利工程，如大坝的强震观测是利用传感器测量结构在地震激励下实际的震动反应。基于强震观测进行混凝土拱坝模态参数识别，可为结构的抗震分析、健康诊断和震后结构损伤评估等提供基础。基于强震观测来进行混凝土大坝的模态参数识别属于结构的运行模态分析(OMA)问题研究的范畴。模态参数，如固有频率、阻尼比、模态质量、模态刚度和模态振型都有明显的物理意义，最能反映大坝结构真实的动力特性。

获取模态参数的途径有两种“理论计算和试验模态分析。理论计算一般是先将实际结构离散成有限自由度系统，而后利用力学和数学方法建立系统振动模型，再运用线性代数、矩阵分析和状态空间等数学方法求解系统状态参数。通过这种途径获取参数方便易行。但由于建模过程必不可少的假设和简化，边界条件及内部结构联结部位又难于实际情况很好吻合，因此可能存在较大误差。试验模态分析是从结构的某些测点上采集的动态数据出发。利用一些信号分析手段和模态参数识别理论来识别模态参数。由于建立在实测的基础之上，显然通过这种途径获得的模态参数能更好的反映结构的实际动力特性。模态参数识别的主要任务就是从测试所得的数据中确定振动系统的模态参数。

基于强震观测的混凝土坝模态识别的研究在国内外已取得相当多的成果。如，H.L.Kou,F.Jin,J.Yng,et al.,Modal parameter identification of Ertan arch damfrom strong earthquake records,Journal of Hydroelectric engineering 28(5)(2009)51-56，采用带输入的自回归ARX(Auto-Regressive Exogenous，ARX)模型，分别根据二滩拱坝和水口重力坝的强震观测识别了结构的模态参数；L.F.Zhang,L.G.Xing,Strongearthquake analysis on Longyangxia gravity arch dam,Water Power 12(1998)14-17，根据龙羊峡的强震观测数据识别了结构的模态参数，并和原型激振试验的结果进行了对比；Loh等采用随机子空间识别(Stochastic Subspace Identification，SSI)方法，基于强震观测资料对翡翠拱坝的模态参数进行了识别，并研究了库水位对模态参数的影响和非均匀输入对拱坝动力响应的影响等问题。N.Okuma,Y.Etou,K.Kanazawa,etal.,Dynamicproperty of a large arch dam after forty-four years of completion,in:Proceedings of the fourteenth World Conference on Earthquake Engineering,Beijing,China,October 12-17,2008，根据大坝的振动测试数据，分别采用频域法研究了Mauvoisin拱坝和Hitotsuse拱坝的系统识别问题。