高坝泄流激励工作模态参数时域辨识理论与方法研究

模态参数的准确辨识是对结构进行在线损伤诊断和状态监测的难点和核心之一。高坝泄流过程是水流- - 结构复杂的耦联动力体系，常规的静态监测手段缺乏能对其实施在线无损动态检测和损伤诊断的理论方法和关键技术。鉴于传统的动力测试方法难以在高坝原型上实现，本项目拟根据环境激励的特点，探索研究以泄流激励为系统输入、结构振动响应为输出的高坝结构工作模态参数时域辨识理论，从数模与理论、模型试验、原型观测三方面研究高坝结构的实时工作模态，分析结构动力特性参数，探究结构安全运行敏感性指标，开发适用于高坝等大型泄流结构的工作模态参数辨识与动态监测集成软件，为高坝结构的安全运行提供理论依据和技术。因此，本项目旨在探索高坝在泄流激励作用下的结构工作模态参数辨识理论和方法，发展高坝运行状态下的健康诊断与实时监测理论和技术，为当前重大水利工程安全运行提供必备的理论基础和技术支撑。

模态参数的准确辨识是对结构进行在线损伤诊断和状态监测的前提。高坝泄流过程是水流-结构复杂的耦联动力作用，常规的静态监测手段缺乏能对其实施在线无损动态检测和损伤诊断的理论方法和关键技术。鉴于传统的动力测试方法难以在高坝原型上实现，本项目根据环境激励的特点，从理论分析、数值模拟、室内试验、原型观测四个方面探索研究了以泄流激励为系统输入、结构振动响应为输出的高坝结构工作模态参数时域辨识理论与方法，取得了一系列研究成果。针对传感器优化布置问题，提出了基于有效独立法（EI）和模态保证准则（MAC）联合的泄流结构传感器优化布置方法；在非线性、非平稳观测信号降噪技术和结构特征信号的提取方面，提出了基于奇异熵的信号相空间重构降噪技术，以及基于经验模态分解(EMD)和小波阈值相联合的滤波方法；在高坝泄流结构工作模态参数辨识理论与技术方面，对特征系统实现算法（ERA）和随机子空间辨识算法（SSI）进行了改进，提出了一种利用特征矩阵奇异熵对信号进行降噪、重构、定阶以及模态参数辨识的方法，该方法可以提高模态参数的辨识精度；从应变与位移之间的关系出发，建立了基于应变数据驱动的随机子空间算法，扩展了随机子空间模态参数辨识方法的应用范围；提出了基于随机减量技术（RDT）和Prony方法相结合的模态参数时域辨识方法，以及基于自然激励技术（NExT）和希尔伯特黄变换（HHT）相结合的模态参数时域辨识方法；开发了适用于高坝等大型泄流结构的工作模态参数时域辨识与动态监测程序，发展高坝运行状态下的健康诊断与实时监测理论和技术，为当前重大水利工程安全运行提供必备的理论基础和技术支撑。