基于解析模式分解理论的时变与非线性桥梁系统识别方法研究

Brigde subjected to long-term external loads and under complex environment is basically a time-varying and nonlinear structural system. The measured dynamic responses are highly nonstationary signals. Therefore, the structural parameters vary over time and their frequencies are closely spaced and overlapping. Since conventional nonstationary signal processing methods face a couple of challeges such as they are difficult to decompose a signal with closely spaced modes and have mode mixing problem.It is a quite challenge to decompose a nonstationary response measured from a nonlinear and complicated bridge. This project is to develop a novel and adaptive analytical mode decomposition (AMD)theory with Hilbert transform and decompose the responses and extract their instantaneous properties for a complicated bridge system under complex environment, through nonlinear parameter identification thoeries, numerical simulations, and experimental tests.Then,the time-varying and nonlinear properties of bridge can be derived from the responses' instantaneous properties and the nonlinear level of the bridge can be furhter estimated. The overall goal of this project is to: develop an adaptive AMD theory for nonstational signal analysis, decompose responses of time-varying or nonlinear complex bridge systems with frequency overlapping modes, extract the instantaneous or nonlinear structural properties from measured dyanmic signals, and use the nonlinear structural properties to estimate the structural nonlinear level. The achievement of this project has significant theoretic and real application values for dynamic based bridge health monitoring and safety evaluation.

长期荷载作用与复杂环境下的桥梁结构，本质上是时变和非线性的结构系统，结构响应表现出非平稳特性。其典型特征就是结构参数是时变的，频率是密集和叠混的。传统的非平稳信号处理方法由于存在模态混淆，很难分解密集模态等问题，难以处理桥梁结构的非平稳响应信号。项目以Hilbert变换为基础，重点研究一种新的，自适应的解析模式分解（AMD）方法，从非线性参数识别理论，数值模拟和实验三个方面,对复杂桥梁结构响应进行解析分解和信号的瞬时特征提取，构建出信号瞬时特征与结构瞬时参数的关系，实现复杂环境下的时变和非线性桥梁结构参数识别。项目将重点解决：自适应AMD方法对非平稳信号处理的理论研究；基于AMD理论的复杂环境下具有频率叠混的时变非线性桥梁结构响应的分解；信号瞬时特征与结构瞬时或非线性参数的关系，以及结构非线性程度量化等问题。项目成果对桥梁结构健康监测和安全评估具有较大的理论意义与工程实用价值。

为保障结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，对已建成和新建的桥梁结构采用有效的手段进行监测和安全评估显得尤为必要和迫切。目前，对结构进行健康监测，安全评估已成为国内外学者致力研究的一个重要课题。而其中关键问题之一是对结构的参数进行有效的识别，特别是结构时变参数以及非线性参数的识别，这些结构参数是进一步研究结构灾变机理，结构状态识别以及安全评估的重要基础和依据。.项目结合复杂环境荷载作用下的时变或者非线性的桥梁结构响应表现出很强的非平稳特征,以Hilbert变换为基础，重点研究自适应的解析模式分解方法的正交信号的时变频率选取，瞬时特征提出，以及结构非线性程度的评估。从时变、非线性参数识别理论，数值模拟和实验三个方面,对复杂环境荷载作用下的桥梁结构响应进行解析分解和信号的瞬时特征提取，构建起信号瞬时特征与结构瞬时参数的关系，从而实现复杂环境下的时变或非线性桥梁结构的参数识别。通过以上内容的研究，项目取得如下的结果：.1、提出一种新的以解析模式分解为基础的非线性非平稳信号处理方法，结合同步挤压小波变换，有效的提取出结果振动响应信号的瞬时特征。.2、推导振动响应信号瞬时特征与时变非线性结构本身的瞬时特征的理论关系。为结构本身的时变与非线性参数的识别提供新的方法与手段。.3、利用识别出来的结构时变参数以及非线性参数，对极端荷载下的结构非线性程度进行量化。.4、利用所提的方法与理论，对一时变斜拉索和一时变简支梁进行了试验，实现了时变参数的识别，并进一步利用非线性程度量化的结果对其时变损伤进行了识别。.5、发表了国际杂志SCI收录论文9篇，国内期刊论文2篇，参加国际会议SHMII-6，并做邀请报告。指导毕业硕士研究生3名。.项目推导了基于解析模式分解理论的时变非线性结构信号分解应用时，其采样频率应大于结构信号包含最大频率成分的4倍。结合同步挤压小波变换，解决了基于解析模式分解的时变截止频率的选取问题。推导出了信号的瞬时特征与结构的瞬时或非线性参数的关系，发现时变非线性结构的时变频率近似等于结构振动响应信号瞬时频率的慢变部分，这一结论，揭示了结构信号瞬时频率与结构本身的时变频率的重要关系。项目进一步利用识别的结构时变频率，对结构的非线性程度进行了量化。项目所提方法与结论最终都获得了实验室试验的验证。项目成果对桥梁结构健康监测和安全评估等研究具有重要理论与工程意义。