桥梁索梁结构非线性振动信号处理与参数识别概论

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1、桥梁索梁结构非线性振动信号处理与参数识别概论-->1绪论1.1研究背景及意义在社会高速发展的今天，随着交通运输业的迅速发展，对交通基础设施的要求越来越高，因为个别地区地形复杂，桥梁结构形式日趋多样化、轻型化和大跨化。近年来，斜拉桥因其经济上、结构上和造型上等诸多方面的独特优点，越来越受到业主及设计师的青睐。具体来说，斜拉索桥有以下几个方面的优势[1]，决定了此种桥梁能形成如此大的发展规模：1)计算机技术的快速发展，人们对海量数据的分析和建模能力越来越强，为处理复杂的斜拉索计算模型提供了可能；2)制造业的快速兴起，大型斜拉索桥所必须的混凝土、锚固设备、高

2、强度高抗性的斜拉索的制造能力能够匹配斜拉索的大范围适用；3)斜拉索建模理论的进一步发展，模型的研究已经能够适用广泛的拉索桥问题，以及以悬臂架设方法为主的施工技术的开发和完善等方面的原因。4)斜拉桥在它的经济性、刚度、抗风稳定性以及架设方法方面，在200m~600m跨度范围内都有一定的竞争优越性。中国的斜拉索桥相对于西方国家来说，起步较晚，但在快速增长的经济规模的刺激下，其建设需求越来越大，自从1975年四川和上海建成了两座跨度分别为76米和54米的斜拉试验桥以来，三十多年过去了，这种在二战后复兴的桥型，在中国改革开放的形势下得到了充分的发展和推广，建成

3、了各种斜拉索桥已超过上百座，跨度已经突破1000米。尚有许多斜拉桥正在规划和设计中。斜拉桥已成为太跨度桥梁的最主要桥型，在900米到600米的范围内占据着优势，并在600米以上的特大跨度桥梁设计竞赛中，开始成为悬索桥的有力的对手。可以预计，在下一阶段的桥梁建设中，斜拉桥仍将扮演重要的角色，成为许多城市的标志性建筑。斜拉索桥梁的广泛应用，给人们的日常交通生活带来了巨大的便利，但是也存在着几方面的问题[2]，制约着斜拉索桥的进一步发展：1）计算模型的问题2）非线性行为问题3）抗震问题4）抗风问题。斜拉索桥的安全运营，关系到国民的生命财产安全，一旦出现事故，

4、势必对社会的稳定造成巨大影响。美国塔克马海峡(TaaNarro；1977年，在法国Brottonne桥肉眼即可观察到剧烈振动，斜拉索振幅为0.6m；1988年3月比利时Ben-Ahin桥的9根索发生了振幅达1m以上的振动，同年10月，eikoNishi桥在建设运营阶段即出现大幅振动报道，监测单位介入调查，对施工方和监管方带来巨大的诚信危机；杨浦大桥在1994年、1995年减震器多次因为拉索的大幅度振动而被甩脱，桥梁管理所不得不采取紧急的应对措施，其中在1995年4月两根拉索因为强风刺激，摩擦振动，险些造成巨大损失；南京长江二桥的斜拉索也发生超幅振动，导

5、致大桥一度关停；之后在1996年，荷兰的Erasmus大桥，开通后不久便因为拉索大幅度振动，存在严重的安全隐患，被管理部门关闭，并进行深度检修。因此，通过对斜拉索振动信号的深入分析，预测斜拉索桥的运营状态，为拉索桥的故障诊断提供依据，是有着巨大工程应用需求的。...............................1.2国内外研究现状和发展趋势为确保大型桥梁的使用安全，监测斜拉索桥的安全性、耐久性是否能达到工程要求，国内外许多学者已经在斜拉索振动建模、信号提取处理等方面做了大量工作，并取得了巨大的成就。其中斜拉索建模主要分为两个方面：线性建模和非

6、线性建模。线性建模忽略了斜拉索垂度、梁的静态绕度的影响，将斜拉索看成孤立的个体，但是在实际中，斜拉索桥是拉索、悬臂、桥梁的三重耦合系统，在工程的实际情况中，悬臂自振的幅度较小，对斜拉索的振动影响较小，但斜拉索桥梁振动幅度较大，对斜拉索振动产生影响较大，在拉索频率和桥梁的频率满足一定关系时，甚至会发生共振情况，所以线性模型虽然将复杂的工程问题直接简化为易于处理的线性问题，但是忽略较多影响较大的客观因素，导致模型的精确性较低，不满足高精度的工程应用需求[11-12]；非线性模型是针对线性模型的不足，充分考虑不同的因素影响，而建立的面向工程应用的斜拉索模型，

7、这种模型充分考虑非线性影响，比传统的线性模型具有更高的精度，因此也是目前研究的重要热点[13]，但是非线性模型一直存在求解困难的问题[14]，目前建立的非线性模型，主要是考虑索自振、垂度等因素对拉索振动的影响，缺乏对桥梁振动影响的全面考虑，且非线性求解主要采用奇异值解法，求解过程复杂，运算量巨大，抑噪能力差，缺乏可行的抑制噪声操作，在实际工程操作中具有很大的局限性。经过几十年的理论发展，对斜拉索的研究日趋丰富，非线性振动理论被诸多研究者投以极大的热情[15-16]，斜拉索模型由简单的弦振动发展到有非线性因素影响的非线性振动，由单索模型发展到索梁塔三重耦

8、合的全桥有限元模型。研究表明参数振动是拉索非线性振动的诱因，在环境激励的作用下，桥面和桥塔也会