基于DATA-SSI算法的简支梁桥模态参数识别研究
基于谱系聚类分析的桥梁结构模态参数自动化识别方法研究
基于谱系聚类分析的桥梁结构模态参数自动化识别方法研究徐健;周志祥;唐亮;冉杰;何杰【摘要】As one important part of a bridge health monitoring system,the bridge structural modal parameters identification has a great significant meaning for a long-term health monitoring of bridges.However,the existing modal parameter identification algorithms cannot realize automatic identification of structural modal parameters and a structure system's order.Here,a brief introduction to the basic principle of stochastic subspace algorithm was provided firstly.Then the sliding window technique was introduced to realize the on-line identification of time-varying structures' modal parameters.Aiming at the problem that system order-determining was very difficult,the system order-determining algorithm was proposed based on the singular entropy theory to realize a system's order automatic determining.Furthermore,the hierarchical clustering algorithm in statistics was combined with the random subspace algorithm to realize automation identification of bridge structural modal parameters.At last,the proposed algorithm was used to identify modal parameters of Sutong bridge in vertical and transverse directions.The identification results were compared with those of theoretical calculation.The results showed that this proposed algorithm can not only realize automatically determining a system's order,but also realize automatically identifying bridge structural modal parameters to monitor bridge structural parameters in real time and understand the runningstatus of a bridge structure.%桥梁结构模态参数识别作为桥梁健康监测系统的重要组成部分之一,对桥梁的长期健康监测具有重要意义.而现有的模态参数识别算法还不能实现结构系统阶次和模态参数的自动化识别,基于此,简单介绍了随机子空间算法的基本原理;通过引入“滑窗技术”以实现对时变结构模态参数的在线识别;针对稳定图定阶难这一问题,提出了基于奇异熵理论的系统定阶算法,以实现系统阶次的自动化确定;又将统计学中的“谱系聚类算法”与随机子空间算法进行结合,实现桥梁结构模态参数的自动化识别.利用该算法识别苏通大桥在竖桥向和横桥向的模态参数结果,并将其与理论计算值进行对比分析,结果表明:算法不仅能实现桥梁结构系统阶次的自动化确定,还能实现模态参数的自动化识别,方便对桥梁结构参数的实时监控,了解桥梁结构的健康运营状态.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2017(036)011【总页数】9页(P206-214)【关键词】桥梁结构;滑窗技术;随机子空间算法;模态参数;谱系聚类算法【作者】徐健;周志祥;唐亮;冉杰;何杰【作者单位】重庆交通大学土木工程学院,重庆404100;重庆交通大学土木工程学院,重庆404100;重庆交通大学土木工程学院,重庆404100;南充市住房和城乡建设局,637000;西南交通大学土木工程学院,成都610031【正文语种】中文【中图分类】U446.3桥梁结构模态参数识别[1]旨在反映桥梁结构固有的动力特性，是桥梁健康监测系统的重要组成部分，对桥梁长期的健康监测及营运安全具有重要意义。
基于应变模态的简支梁桥损伤程度识别研究
基于应变模态的简支梁桥损伤程度识别研究
何静科;牛彦峰;王燕华;刘思青
【期刊名称】《工程与试验》
【年(卷),期】2013(053)003
【摘要】本文以简支梁桥为研究对象,利用ANSYS软件对其进行损伤模拟.获取了简支梁在两种工况下,不同损伤程度的1-3阶应变模态曲线.应变模态曲线会在损伤处出现尖峰,而且损伤程度越大,尖峰越突出,这是应变模态曲线对损伤程度最直观的反映.本文中对尖峰突起程度进行定量描述,并最终得出判定损伤程度的定量表达式.【总页数】4页(P22-25)
【作者】何静科;牛彦峰;王燕华;刘思青
【作者单位】吉林大学交通学院,吉林长春130025;吉林大学交通学院,吉林长春130025;吉林大学交通学院,吉林长春130025;吉林大学交通学院,吉林长春130025
【正文语种】中文
【中图分类】U441+.4
【相关文献】
1.基于应变模态的简支梁桥损伤位置识别研究 [J], 孙平义
2.基于应变模态及结构优化技术的结构损伤程度识别方法 [J], 彭细荣;路新瀛;隋允康;陈肇元
3.基于应变模态差的连续梁损伤识别方法研究与应用 [J], 张豪;史富强
4.基于应变模态参数的结构瞬态载荷识别方法研究 [J], 周玙;刘莉;周思达;王大宇;
邵玉佩
5.基于应变模态的轨道板裂缝与脱空识别方法研究 [J], 张晓东; 梁青槐
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桥梁结构模态参数在线识别技术研究
桥梁结构模态参数在线识别技术研究一、绪论桥梁作为交通运输中的重要组成部分，承担着重要的工程功能。
随着桥梁的老化和使用年限的不断增加，桥梁结构的健康状态监测和评估变得尤为重要。
而桥梁的结构模态参数在线识别技术研究，则是桥梁健康监测的重要研究方向。
二、桥梁结构模态参数桥梁结构模态参数可以反映桥梁结构的振动特性和变形情况，同时也是桥梁结构健康状态评估的重要依据。
主要包括桥梁结构的固有频率、阻尼比和振型等。
其中，固有频率一般定义为桥梁自由振动时的固有频率，表示桥梁结构的振动快慢和振动环节；阻尼比则是描述桥梁结构振动衰减的关键参数，能够反映桥梁结构的能量损耗情况；而振型则是描述桥梁结构振动状态的形态和空间位置的重要参数，可以用于筛选出异常的桥梁结构振动情况。
三、桥梁结构模态参数在线识别技术桥梁结构模态参数在线识别技术的研究在桥梁结构健康监测和评估中具有重要的应用价值。
通过实时监测桥梁结构的振动情况，结合数据处理和算法分析，可以实现桥梁结构模态参数在线识别。
目前，桥梁结构模态参数在线识别技术主要有以下几种方法：1. 计算模型法：基于桥梁结构有限元模型，通过模拟桥梁受力及变形情况，计算桥梁结构的固有频率、阻尼比和振型等模态参数。
该方法需要较精确的桥梁有限元模型和实时的外部荷载，同时也容易受到外界因素干扰。
2. 系统辨识法：该方法是基于系统辨识的思想，通过对桥梁结构自由振动数据进行信号处理和特征提取，获得桥梁结构模态参数，并建立系统数学模型。
该方法适用范围较广，不需要事先的数学模型，但需要大量的实验数据建模。
3. 机器学习法：该方法是通过数据分析和算法学习建立桥梁结构的模型，并预测桥梁结构的模态参数。
机器学习法可以自动学习桥梁结构振动数据的特征，并能够应对不确定性的外部干扰，因此表现较好，但需要大量的数据集进行训练。
四、总结与展望桥梁结构模态参数在线识别技术研究是桥梁健康监测领域的重要研究方向。
目前，针对不同的桥梁结构类型和应用场景，出现了各种各样的在线识别方法，如计算模型法、系统辨识法和机器学习法等。
一种桥梁模态参数自动识别方法[发明专利]
![一种桥梁模态参数自动识别方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/e096722c7dd184254b35eefdc8d376eeaeaa17f2.png)
专利名称：一种桥梁模态参数自动识别方法专利类型：发明专利
发明人：汪利,郑钦杰,吕中荣
申请号：CN202210231942.5
申请日：20220309
公开号：CN114676477A
公开日：
20220628
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种桥梁模态参数自动识别方法，该方法包括：获取桥梁模态参数并进行验证，得到稳定点数据；基于分层聚类方法对稳定点数据进行分类，得到聚类树；根据需要结构模态的阶数从聚类树提取模态参数。
通过使用本发明，能够实现模态参数识别的完全自动化。
本发明作为一种桥梁模态参数自动识别方法，可广泛应用于建筑模态识别领域。
申请人：中山大学
地址：510275 广东省广州市海珠区新港西路135号
国籍：CN
代理机构：深圳市创富知识产权代理有限公司
代理人：高冰
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不中断运营的既有桥梁模态参数识别
不中断运营的既有桥梁模态参数识别常军;顾坚;孟浩【摘要】为了在不中断桥梁运营的前提下使结构模态参数识别结果更精确,采用随机子空间方法对汽车荷载和环境激励共同作用下的不中断运营的桥梁结构进行模态参数识别研究,并采用一三跨连续梁的有限元模型进行了验证.结果表明,随机子空间方法可以识别汽车、环境共同作用下的桥梁结构模态参数识别,可以有效地识别环境激励下的不中断运营的桥梁结构的模态参数,拓展了随机子空间方法适用范围.【期刊名称】《广西大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2010(035)001【总页数】5页(P131-135)【关键词】桥梁结构;随机子空间;环境激励;汽车荷载;不中断运营;参数识别【作者】常军;顾坚;孟浩【作者单位】苏州科技学院土木工程学院,江苏,苏州,215011;苏州科技学院科技处,江苏,苏州,215011;苏州科技学院土木工程学院,江苏,苏州,215011【正文语种】中文【中图分类】U441道路是经济发展的动脉，桥梁作为道路的关键点，其健康状况受到了国内外工程界和学术界的广泛关注。
了解桥梁健康状况的主要手段是建立桥梁健康监测系统。
而桥梁健康监测系统的基础是结构模态参数识别。
目前，国内外许多结构都安装了健康监测系统［1-3］。
近年来，基于环境激励的结构模态参数识别方法正逐渐成为国内外研究的一大热点。
通常认为地脉动、风及其组合作用可视为环境激励，环境激励下的系统识别具有许多优势:无须昂贵的激励设备;不中断结构的正常运营;只需测定响应数据等。
对于桥梁结构来说，检测方法是否先进科学的关键指标是该检测方法是否需要中断桥梁运营，因为中断桥梁运营会产生很大的经济成本，进而引申出一个关键问题，即汽车荷载能否视为环境激励的组成部分。
目前，由不同的研究者基于不同的用途提出了一些环境激励下的系统识别方法，如:基于离散时间数据的ARMA模型，基于功率谱密度的峰值法，自然激励技术(NExT)，随机子空间法等［4-5］。
基于扫频法的简支梁模态参数测定
引 言
０．０５ｍ，高：Ｈ＝０．０１２ｍ，简支梁 密度 ，材料弹性模 。
简支粱 是＿ Ｔ程 中常见振动模型，研 究并掌握其工程分析
方法具有重要 的实践意义…。本文通过对等截面简支梁系统
的研 究 ，对 其运 用试 验 测 试 的 方 法 ， 找 出 该系 统 振 动 的 固有
图 １ 简支梁结构简图
摘 要 ：在机械工程 中振动是很普遍 的现象 ，分析系统的 固有频率和固有振型可以避免系统在使用过程 中出现共振 现象 ，减少振动对系 统的影响。用扫频法得 到简支梁系统的固有频率和 固有振型 ，与 理论值 进行对 比误差不大于 ３．８％。测定简支梁 的模态参数为研究复杂 系统提供理论基础和参考方法。 关 键 词 ：简 支 梁 ；固有 频 率 ；振 型 ；共振 中图分类号 ：Ｕ４６３．５ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ６７１—７９８８（２０１ ６）０２—１ ０Ｏ一０３
有频率 ，然后让激振力频率等于各阶固有频率 ，使梁产生共
本 文 中 研 究 的简 支 梁 的 几 何 参 数 为 长 ：Ｌ：１．００ｍ， 宽 ：Ｂ＝ 振，最后测 定共振状态下梁上各测 点的振动加速度值【¨】。
作者 简介 ：归文强 ，就读 于长安大学。
由于对 简支梁采用 的是正弦信号激励 ，故可知输 出为：
Ｔｈｅ＂ｒｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｍ ｏｄａｌ Ｐａｒａｍ ｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｒｅｅ Ｂｃａｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｗｅｅｐ Ｍ ｅｔｈｏｄ
Ｇｕｉ Ｗ ｅｎｑｉａｎｇ，Ｙｕａｎ Ｘｉａｏｈｕｉ，Ｘｉａ Ｚｈｉ’ａｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｃｈａｎｇ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａａｎｘｉ Ｘｉ’ａｎ ７ １ ００６４）
桥梁模态参数识别方法
桥梁模态参数识别方法桥梁模态参数识别就像是给桥梁做一场超级细致的身体检查，找出它隐藏的那些“小秘密”。
你可以把桥梁想象成一个超级大的乐器，模态参数呢，就像是这个乐器独特的音色密码。
识别这些参数就如同寻找这个大乐器到底能发出哪些独特的声音。
有的方法就像是用听诊器一样，一点点去听桥梁的“心跳”。
比如说环境激励法，这就好比是在桥梁正常工作的时候，趁它不注意，悄悄去偷听它在自然环境下的那些微弱的“哼哼声”。
就像在一个热闹的聚会上，想要听清楚一个人小声嘀咕啥，得非常专注才行呢。
还有一种方法叫强迫振动法，这就像是给桥梁来一场超级刺激的摇滚音乐会。
给它施加一个特定的力，就像摇滚歌手在舞台上尽情呐喊，让桥梁随着这个力开始“摇摆”，然后我们就可以观察它是怎么动的，就像观察一个在舞台上疯狂跳舞的人，从它的舞步里分析出它的特点。
而对于基于输出的模态识别方法，这就像是从桥梁的“言行举止”来判断它的内在性格。
只看它对外界的反应，就像看一个人遇到事情的反应来判断他的性格一样。
不打扰它，就静静看着它怎么应对日常的“小麻烦”，像是风轻轻吹过或者车辆经过时它的微小晃动。
参数识别里的频域法呢，就像是把桥梁的反应放在一个特殊的音乐播放器里，把它的振动变成一个个高低不同的音符。
然后通过分析这些音符的高低、长短，来解读桥梁的秘密。
这就好比从一首奇怪的音乐里找出那些隐藏的旋律规则。
时域法又像是一个时间的侦探。
在时间的长河里，跟踪桥梁的每一个小动作，不放过任何一个小细节。
从它一瞬间的抖动到长时间的缓慢变化，就像侦探追查罪犯的每一个踪迹一样，严谨得很。
模态参数识别可不能马虎呀，不然就像给一个病人乱开药一样。
要是识别错了，那对桥梁的健康评估可就大错特错了。
就好比把一个只是有点小感冒的人当成得了绝症，那可就闹大笑话了。
所以这些方法得相互配合，就像一群超级英雄组合起来，才能准确地掌握桥梁的模态参数，确保桥梁这个“大巨人”稳稳地站在那里，不会突然给我们来个大惊吓。
桥梁工作模态分析中阻尼比识别的离散性研究
桥梁工作模态分析中阻尼比识别的离散性研究秦世强;康俊涛;孔凡【摘要】准确识别阻尼比一直是桥梁结构模态参数识别的难题。
为研究工作模态分析中识别的阻尼比离散性问题，总结了现有的代表性的频域、时域和时频分析的阻尼比识别方法，指出了各种方法导致识别结果不准确的原因。
以一个预应力混凝土连续梁桥的工作模态分析为例，分析了阻尼比识别的结果，研究了减小识别的阻尼比离散性的方法。
结果表明：相对频率而言，阻尼比识别结果离散程度较高；在混合自由振动响应的情况下，通过增加采样时间，能改善阻尼比识别离散较大的问题，提高识别精度；利用振动水平较低的随机振动响应识别的阻尼比离散性较小。
【期刊名称】《振动、测试与诊断》【年(卷),期】2016(000)001【总页数】7页(P42-48)【关键词】阻尼比;模态参数;半功率带宽;随机子空间识别;自由振动响应【作者】秦世强;康俊涛;孔凡【作者单位】武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室武汉，430070; 武汉理工大学土木工程与建筑学院武汉，430070;武汉理工大学土木工程与建筑学院武汉，430070;武汉理工大学土木工程与建筑学院武汉，430070【正文语种】中文【中图分类】TU311;TH113阻尼比是工程结构的基本动力参数之一，直接影响结构的动力行为，因此准确地识别阻尼比有重要的意义。
传统方法记录输入输出的模态分析是通过测试结构自由振动响应幅值衰减程度来识别阻尼比。
然而，由于激励设备贵重、测试过程复杂，可能会对结构造成损伤，这种方法对大型土木工程结构往往不太实用。
大型土木工程结构通常使用环境激励方法，即测试其在风、水流和地脉动等微幅振动下的响应，从而识别其频率、阻尼比和振型。
这种方法由于不中断结构的运营，因而又称为工作模态分析(operational modal analysis, 简称OMA)。
近年来，对土木工程结构的工作模态分析出现了一系列研究成果[1-5]，得到了广泛认可。
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基于DATA-SSI算法的简支梁桥模态参数识别研究
1. 引言
简支梁桥是桥梁工程中一种常见的结构形式，由于其结构简单、施工方便等特点，在
实际工程中得到了广泛的应用。
在桥梁设计和使用过程中，对桥梁的结构性能进行全面的
评估十分重要，而模态参数是评估结构动力特性的重要指标之一。
准确识别简支梁桥的模
态参数对于确保桥梁结构的安全性和稳定性具有重要意义。
传统的模态参数识别方法主要基于振动测试数据，通过信号处理和频域分析等方法来
获取结构的模态参数。
传统方法存在识别精度较低、受测点布置和环境干扰的影响等问题。
如何提高模态参数的识别精度和有效性一直是结构动力学领域的研究热点之一。
本文将基于DATA-SSI算法对简支梁桥的模态参数进行识别研究，并与传统方法进行对比分析，旨在验证DATA-SSI算法在简支梁桥模态参数识别方面的有效性和优势。
2. 简支梁桥模态参数识别方法
2.1 传统方法
传统的模态参数识别方法主要基于结构的振动测试数据，通常采用加速度计或激光测
振仪等传感器进行数据采集。
然后，通过快速傅里叶变换等频域分析方法，提取结构的频
率响应函数。
利用模态分解或系统辨识等方法，对频率响应函数进行进一步处理，得到结
构的模态参数。
传统方法存在的问题主要包括：1）受测点布置的局限性，无法全面反映结构的振动特性；2）受环境噪声和干扰的影响，识别精度较低；3）对数据处理和分析的要求较高，且
耗时耗力。
2.2 DATA-SSI算法
DATA-SSI算法是一种基于数据驱动的模态参数识别方法，其核心思想是通过对结构振动数据的处理和分析，直接提取结构的模态参数。
与传统方法相比，DATA-SSI算法具有以下优势：1）无需事先了解结构的物理特性，仅基于振动数据进行识别；2）对测点的要求
较低，能够有效克服传统方法受测点布置限制的问题；3）抗干扰能力强，能够有效处理环境噪声和干扰。
本文选取某简支梁桥为研究对象，采用DATA-SSI算法对其模态参数进行识别，并与传统方法进行对比分析。
通过激光测振仪对简支梁桥进行振动测试，获取结构的振动数据；
然后，利用DATA-SSI算法对振动数据进行处理和分析，得到简支梁桥的模态参数；将DATA-SSI算法得到的模态参数与传统方法进行对比分析，验证其有效性和优势。