[发明专利]仅利用输出响应的结构动静态参数不确定性定量分析系统

说明书

本发明公开了一种仅利用输出响应的结构动静态参数不确定性定量分析系统，基于快速贝叶斯方法和质量改变方法对结构的动静态参数的不确定性进行定量计算。针对某一共振频率带的单个模态，通过四维的数值优化问题的求解得到模态参数的最佳估计和协方差矩阵；通过一阶摄动分析，可得振型缩放系数、质量归一化振型、柔度矩阵和预测位移的协方差矩阵；进一步能够计算位移振型、柔度矩阵和挠度的置信区间。本发明仅使用环境振动数据，不需要进行昂贵的人工激励作用和荷载输入测量，达到和输入输出思想下一样的结构详细动力特征识别的独特优点，具有测试时间少，无需封闭交通，测试精度高及抗噪音能力强的特点，有广泛应用于实际桥梁性能评估的良好前景。

技术领域

本发明涉及一种仅利用输出响应的结构动静态参数不确定性定量分析系统，属于结构健康监测技术领域。

背景技术

世界各国基础设施体量庞大，在国民经济生活中起到了很重要的作用。另一方面，基础设施在漫长服役周期内，由于环境侵蚀、日常服役荷载甚至超载的作用导致结构的性能逐渐发生退化并且随时可能遭遇地震、台风等极端自然灾害的侵袭因此，如何实现公路网上为数众多桥梁的性能评估，以保障结构安全并最优化维护管理费用是国内外迫切需要解决的共同课题。

发明内容

环境振动测试是结构健康监测的一种重要方法，它有潜力实现桥梁快速测试与可靠诊断。本发明提供一种仅利用输出响应的结构动静态参数不确定性定量分析系统。首先，与传统的环境振动测试相比，本发明能够识别出更为完备的结构信息，比如结构振型缩放系数和位移柔度等深层次参数。其次，与传统的需要同时采集结构输入冲击力时程和输出响应的冲击振动测试相比，仅使用环境振动数据，不需要进行昂贵的人工激励作用，不需要荷载输入测量，而能达到和输入输出思想下一样的结构详细动力特征识别。本发明方法克服了传统健康监测数据处理方法不能有效支持结构安全评估以及现有冲击振动测试方法需要使用人工激励装置的缺点，直接使用环境振动数据，具有成本低，测试所需时间少和抗噪音能力强的特点，因此有广泛应用于实际桥梁性能评估的良好前景。另一方面，本发明方法所使用的贝叶斯方法优于非贝叶斯方法，公式几乎使用了数据中的所有信息用来推断模态参数，严格遵守物理建模假设，且得到模态参数及位移挠度的区间估计优于传统的点估计。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种仅利用输出响应的结构动静态参数不确定性定量分析系统，该系统包括传感器单元、数据采集单元、数据分析单元和数据预测单元；

所述传感器单元包括若干设置在桥梁上的振动传感器；

所述数据采集单元采集振动环境下所述传感器单元监测到的振动加速度数据；

所述数据分析单元包括快速贝叶斯FFT计算模块、振型缩放系数的不确定性计算模块、质量归一化振型的不确定性计算模块、位移柔度的不确定性计算模块和预测变形的不确定性计算模块；

所述快速贝叶斯FFT计算模块：对所述数据采集单元采集到的振动加速度数据进行FFT变换，得到FFT变换后的实部F_k和虚部G_k，构造似然函数p({Z_k}|θ)，Z_k＝[F_k^TG_k^T]^T，模态参数θ包括模态频率f、阻尼比ξ、振型Φ、模态激励下谱密度矩阵中的互谱密度S和预测误差的谱密度σ²；对数似然函数进行数值优化得到{f,ξ}的MPV值，通过对数似然函数的二阶导数求得Hessian矩阵；对Hessian矩阵求逆得到各阶模态参数的协方差矩阵；