基于非平稳振动响应瞬时特征的非线性桥梁结构模型修正方法研究

Bridge subjected to earthquake, wind and other extreme loads shows nonlinear characteristics, and exhibits complex nonlinear dynamic behaviors. The nonlinear dynamic responses exhibit non-stationary properties. The model updating methods based on hypothesis of linear model and stationary responses are difficult to update the nonlinear bridge model. This proposal is to develop a novel theory and method for nonlinear bridge model updating based on instantaneous features of the dynamic responses, through nonlinear model updating theories, numerical simulations, and experimental tests. The main tasks of the proposal are to: decompose the bridge nonlinear dynamic responses and extract the principle components based on the extended discrete analytical mode decomposition; establish new optimization objective functions based on instantaneous amplitudes and frequencies of the decomposed principle components; pursue an effective optimization algorithm for nonlinear bridge model updating; study the reliability of the updated nonlinear parameters based on Monte-Carlo sampling method for bridges under various excitations and noise levels; finally establish nonlinear bridge model updating theories and methods based on the instantaneous features of the non-stationary responses. The achievement of this project has significant theoretical and real application values for bridge safety, degradation, and capacity assessment.

桥梁结构在遭遇地震，强风等极端荷载作用时会呈现出明显的非线性特征，并表现出复杂的非线性动力学行为，其结构振动响应表现出非平稳的特征，而基于线性模型及响应平稳性的假设理论则难以实现非线性桥梁结构模型的修正。项目将结合非线性桥梁结构振动响应的非平稳特征，从非线性模型修正理论，数值模拟和试验验证三个方面进行深入的研究。重点研究基于扩展离散解析模式分解理论的非线性桥梁结构振动响应的分解及主分量提取，建立基于主分量瞬时幅值与瞬时频率的非线性桥梁结构模型修正的优化目标函数，研究非线性桥梁结构模型修正的有效优化算法，并进一步利用蒙特卡洛概率样本方法，研究不同激励荷载，不同噪声水平下的非线性桥梁结构模型修正参数的可靠性，最终建立基于非平稳振动响应瞬时特征的非线性桥梁结构模型修正的理论与方法。项目成果对桥梁结构的安全状态、劣化行为、承载力评估等均具有重要的理论意义和工程应用价值。

桥梁结构在遭遇地震，强风等极端荷载作用时会呈现出明显的非线性特征，并表现出复杂的非线性动力学行为，其结构振动响应表现出非平稳的特征。对大型桥梁结构进行非线性模式识别和模型确认，是进行结构安全评估的有效手段。项目结合非线性桥梁结构振动响应的非平稳特征，从非线性模型修正理论，数值模拟和试验验证三个方面进行深入的研究。研究了基于扩展离散解析模式分解理论的非线性桥梁结构振动响应的分解及主分量提取，建立了基于主分量瞬时幅值与瞬时频率的非线性桥梁结构模型修正的优化目标函数，研究了非线性桥梁结构模型修正的有效优化算法，研究不同激励荷载，不同噪声水平下的非线性桥梁结构模型修正参数的可靠性，最终建立基于非平稳振动响应瞬时特征的非线性桥梁结构模型修正的理论与方法。取得了以下主要研究成果：.（1）从离散的希尔伯特变换入手，提出扩展的离散解析模式分解理论，从而实现对离散非平稳振动信号的有效分解。提出了基于时频替代数据法的信号平稳性检验方法和基于递归希尔伯特变换的非平稳结构振动响应瞬时幅值和瞬时频率提取方法。.（2）开展了桥梁结构在静、动力荷载作用下的非线性模型修正研究。提出了基于非平稳振动响应瞬时特征的桥梁结构非线性模型修正理论的优化目标函数、桥梁结构非线性模型检验及参数确定方法，实现了结构的非线性模型修正。.（3）完成了非线性桥梁结构模型修正参数的统计特性及可靠性研究，并开展了相关的数值模拟、Benchmark模型非线性单元模式识别和参数确定、以及实验室和桥梁现场试验研究。.项目研究非线性桥梁结构模型修正，就是利用修正的非线性模型，预测或者重现极端荷载作用下的结构响应，保障结构安全。进行非线性结构模型修正研究，这不仅是结构安全状态、劣化行为及承载力评估的重大需求，同时也是结构模型修正理论发展的重要方向。项目成果对桥梁结构的安全状态、劣化行为、承载力评估等均具有重要的理论意义和工程应用价值。