建筑与土木论文提纲

论文题目：环境激励作用下典型土木工程结构的动力特征分析

摘要：作为国家基础设施的有机组成部分,土木工程结构在人们日常生活及社会经济发展中发挥着重要的作用。对土木工程结构进行实测研究,充分了解结构在运营状况下的动力特征是保证其在服役期间安全性和适用性的一种有效途径。模态参数是分析结构动力特征的基础信息,它在结构健康监测、损伤识别及抗风设计等方面有着广泛的应用。因此模态参数识别研究受到越来越多的重视。基于输出信号的工作模态识别方法是一种近些年逐渐发展起来的并在土木工程领域备受青睐的识别方法。与传统基于输入输出信号的方法相比,该类方法具有可操作性强,无需中断结构正常运营以及识别结果更接近实际情况等优点。本论文首先通过对比分析,考察了不同模态识别方法在环境激励作用下两类典型土木工程结构（桥梁与建筑）模态参数的识别效果,重点讨论了随机状态子空间辨识（SSI）方法在应用过程中存在的局限性,并对该方法进行了改进;然后以超高层建筑为例,建立了一种用于精细化研究系统动力特性的时、频域瞬时特征与统计特性一体化分析方法;最后采用上述方法对环境激励作用下两类土木工程结构的模态参数及动力特性进行了分析。SSI方法是一种先进的基于输出信号识别动力系统模态参数的方法。但该方法对动力系统所受激励特征及响应信号质量存在一定要求,而这些要求通常在实际应用中较难满足,这导致使用该方法时可能出现虚假模态及模态遗漏等问题。针对上述情况,本论文对传统SSI方法的局限性进行了深入分析,通过数值算例及工程实际案例表明系统不同模态响应之间能量的分布失衡是导致上述问题产生的一大原因。基于以上发现,本文提出了一种基于零相位滤波技术的SSI改进算法,即按照频谱能量对系统响应中不同的模态成分进行能组划分,然后采用传统SSI方法对不同能组信号进行模态识别分析。上述方法的有效性通过数值算例和工程实际案例得到验证。相关研究成果有效提高了SSI方法模态参数识别的可靠性。在分析系统动力特征时,现有研究大多把动力系统响应的统计特征与瞬时特征孤立处理,而较少关注两者之间的内在联系。本论文提出了一种动力系统时、频域瞬时特征与统计特征一体化分析方法,并采用该方法对台风作用下超高层建筑的动力特性进行了精细化分析,建立了一种基于瞬时频率波动强度的高层建筑阻尼模型。对比发现,该模型比当前广泛采用的基于结构振动响应的模型更精确,适用性更广泛。相关成果为深入认识建筑结构模态参数（特别是阻尼比）随系统响应振幅而变化的非线性特征提供了一种新思路。采用上述改进的SSI模态识别方法及结构动力特性分析思路,本论文对典型土木工程结构在环境激励作用下的动力特征进行了系统研究:分析了超高层建筑风致振动响应及其随来流风速的变化关系,并通过加速度实测数据对建筑在强台风作用下的舒适度性能进行了评估;分别研究了城市道桥与人行天桥在车辆荷载与大地脉动作用下结构的动力特征。上述研究内容为进一步了解典型土木工程结构的动力特征及对结构有限元模型的修正提供了有益参考。本硕士论文研究内容以及相关成果在一定程度上完善了结构动力学理论及模态参数识别方法,且为深入了解环境作用下桥梁的动力特征及台风作用下超高层建筑的风效应提供了重要的参考信息和有益借鉴。

关键词：动力特征;模态识别;SSI方法;时频域分析;环境激励

学科专业：建筑与土木工程（专业学位）

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 模态分析

1.2.1 传统模态参数识别

1.2.2 环境激励下模态参数识别

1.3 随机子空间方法研究进展与现状

1.4 时频域法研究进展与现状

1.5 当前研究存在的问题

1.6 研究目标、创新点及内容

1.6.1 主要研究目标

1.6.2 主要创新点

1.6.3 主要内容

第二章 模态参数识别相关理论与方法

2.1 引言

2.2 模态识别相关理论

2.2.1 频响函数与传递函数

2.2.2 脉冲响应函数

2.2.3 相关函数和功率谱

2.3 时域识别方法

2.3.1 随机减量技术

2.3.2 自然激励技术

2.3.3 经验模态分解

2.3.4 ITD时域法

2.3.5 特征系统实现法

2.4 频域识别方法

2.4.1 峰值拾取法

2.4.2 频域分解法

2.4.3 快速贝叶斯FFT方法

2.5 本章小结

第三章 随机状态子空间模态参数识别基本理论

3.1 引言

3.2 系统状态空间模型

3.2.1 连续时间状态空间模型

3.2.2 离散时间状态空间模型

3.2.3 离散随机状态空间模型

3.3 随机系统状态空间模型的性质

3.4 协方差驱动的随机状态子空间法

3.4.1 Hankel矩阵

3.4.2 相关系统矩阵构建

3.4.3 系统矩阵求解

3.4.4 系统模态参数识别

3.5 数据驱动的随机状态子空间法

3.5.1 投影矩阵求解

3.5.2 卡尔曼滤波与投影矩阵奇异值分解

3.6 系统阶次判断

3.6.1 奇异值跳跃法

3.6.2 稳定图法

3.6.3 奇异熵定阶法

3.7 本章小结

第四章 台风作用下超高层建筑风效应实测研究

4.1 引言

4.2 SHM系统及数据介绍

4.2.1 研究建筑与SHM系统

4.2.2 台风“山竹”

4.3 方法介绍

4.3.1 极值响应估计

4.3.2 模态参数识别

4.3.3 随机减量技术

4.4 结果与讨论

4.4.1 台风风场特征

4.4.2 结构响应与舒适度评估

4.4.3 模态参数识别

4.4.4 有限元模拟

4.5 本章小结

第五章 基于零相位滤波技术的SSI方法改进研究

5.1 引言

5.2 方法介绍

5.2.1 SSI方法

5.2.2 算法改进

5.3 数值算例

5.3.1 数值模型的建立与求解

5.3.2 数值模型参数识别

5.4 工程案例

5.4.1 工程概况

5.4.2 模态参数识别

5.4.3 有限元模拟

5.5 本章小结

第六章 基于改进SSI方法的桥梁结构参数识别

6.1 引言

6.2 漠阳江东河大桥模态参数识别

6.2.1 工程概况

6.2.2 模态参数识别

6.2.3 有限元模拟

6.3 城市人行天桥模态参数识别

6.3.1 工程概况

6.3.2 模态参数识别

6.4 本章小结

第七章 时频域分析法在高层建筑动力响应分析中的应用

7.1 引言

7.2 方法介绍

7.3 实测建筑与数据介绍

7.4 现场测量结果

7.4.1 固有频率与阻尼比

7.4.2 瞬时动力特性

7.4.3 动态行为调制机制

7.4.4 动态参数变化的瞬时频率波动强度模型

7.5 本章小结

第八章 结论与展望

8.1 结论

8.2 展望

参考文献

附录 A 经RDT方法计算的固有频率和阻尼比

附录 B 第一阶模态方向响应瞬时结果

附录 C 第二阶模态方向响应瞬时结果

附录 D 动态参数与IFFI1之间的相关性

附录 E 动态参数与IFFI2之间的相关性

附录 F 动态参数与RMS之间的相关性

致谢