桥梁运行模态的车辆干扰机理及效应

Modal parameter plays an important role in bridge damage detection, condition assessment and model updating. However, the interference mechanism on vehicle load is still unknown, which restrains the application of bridge health monitoring. This project aims at revealing the interference mechanism on vehicle load and establishing a theory of estimating the interference effect caused by vehicle through theoretical analysis, numerical simulation and model test. The interference mechanism is revealed through stochastic perturbation theory and an updated vehicle-bridge coupling analysis system. Distribution of interference is proposed through data analysis and hypothesis testing. A Bayesian based approach is proposed to update the estimated modal parameters. The proposed method can promote the development of modal identification in bridge health monitoring.

高质量的模态参数是损伤识别、模型修正、状态评估的重要基础。车辆荷载作为模态参数的环境干扰因素之一，一直存在干扰机理不明确、干扰程度不能准确估计的问题，直接限制了桥梁健康监测系统的应用效果。本项目针对车辆荷载对模态参数干扰这一问题，采用理论分析、数值模拟、模型试验和现场实测的方法，基于随机摄动理论和改进的车桥耦合模拟体系，揭示车辆荷载对模态参数的干扰机理；基于参数分析与假设检验，探明干扰效应的分布规律；建立干扰效应的评估方法，提出基于贝叶斯方法的模态参数精细化修正方法；采用模型试验和现场实测方法，验证评估方法的可靠性。研究成果有助于推动健康监测模态识别理论深化发展和提高实际运用效果。

车辆荷载是桥梁模态参数的主要干扰因素之一，由于模态参数的车辆干扰机理不明确、干扰效应和规律不清晰、干扰具有随机性等特点，严重影响了模态参数的实际应用效果，因此有必要摸清模态参数车辆干扰机理和效应，并提出统计意义上的干扰剔除方法，获得统计意义上的最佳模态参数，为模态参数工程应用提供理论和技术支撑。主要研究内容和重要成果包括：（1）提出了基于跟驰理论的新型元胞自动机模型，并将轴载融入该模型，实现桥址随机车流精确模拟。（2）分析了车辆对模态参数的干扰效应，研究表明车辆速度、车重、轮胎刚度等车辆因素均会影响识别的结构模态参数，且影响规律具有随机性，识别的模态参数与车重和车辆振动引起的主梁振动状态相关性不强。（3）对比了频域分解法和随机子空间法两种模态参数识别方法，分析了两种模态识别方法输入参数对识别结果的影响规律，研究表明增加计算数据长度不能提高其识别精度，适当增加采样间隔可以降低监测数据中异常值对识别结果的干扰。（4）提出了基于稳定图自动解析的桥梁运营模态自动识别方法，提出了新的稳定图清洗和解析方法和识别结果异常值诊断方法，全过程不需要人工干预，实现模态参数自动识别。（5）提出了基于变带宽核密度的模态参数代表值最佳估计方法，通过变带宽核密度法，可以同时考虑模态参数方差误差和包括车辆干扰的运营变异，得到统计意义上的模态参数最佳代表值。