(廣州大學(xué), 廣東 廣州 510405)

運(yùn)用科學(xué)、合理的建筑工程檢測技術(shù)，確保檢測結(jié)果能夠真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的建設(shè)質(zhì)量和水平，同時還可以使人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)得到保障。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)一般由三個子系統(tǒng)組成，分別為監(jiān)測系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)和評估系統(tǒng)。其中檢測系統(tǒng)是整個健康監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)，當(dāng)中包含的參數(shù)識別更是其一重要環(huán)節(jié)。這里我們就結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)的時域識別方法就行概述。結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的時域識別方法是可以利用結(jié)構(gòu)振動時間響應(yīng)信號作為輸入信號，或由已知頻響函數(shù)進(jìn)行傅里葉逆變換得到脈沖響應(yīng)函數(shù)作為輸入數(shù)據(jù)進(jìn)而建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行參數(shù)識別。常用方法有: 最小二乘復(fù)指數(shù)法、ITD 法、隨機(jī)減量法和EAR特征值系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)法等。

最小二乘復(fù)指類算法是由DL Brown等人提出的一種單輸入多輸出的模態(tài)識別方法[1]，缺點(diǎn)是對大型結(jié)構(gòu)參數(shù)的識別效果不佳，僅能做出單輸出狀態(tài)。劉征宇等人[2]將模態(tài)自由振動隔離技術(shù)引入LSCE法中，較好的解決了自由度數(shù)難以確定，由于模態(tài)多、測量噪聲水平較高、側(cè)點(diǎn)多等因素引起的難識別，識別精度差等問題。曾發(fā)林等[3]針對某轎車雙排氣管，采用LSCE法進(jìn)行排氣管試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，得到該排氣管的模態(tài)分布比較密集的結(jié)論。

ITD是由Ibrahim[4]于20世紀(jì)70年代提出的時域法。1987年Ibrahim在ITD法的基礎(chǔ)上提出了STD法[5],采用QR法求解一般矩陣的特征值未提示，由于得到是Hessenbery矩陣，不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，節(jié)省了計(jì)算時間和計(jì)算機(jī)的內(nèi)存。與 ITD法相比，STD法克考慮量測噪聲的影響，提高識別精度。朱東升等[6]用ITD法結(jié)合隨機(jī)減量法對一棟八層的框架建筑結(jié)構(gòu)橫向自振特性做了仿真識別，識別該結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，仿真識別結(jié)果表明是可行的，并且具有測量數(shù)據(jù)方便, 數(shù)據(jù)處理簡單,精度較高, 識別結(jié)果較多的優(yōu)點(diǎn)。

隨機(jī)減量法是從線性結(jié)構(gòu)振動的一個或多個平穩(wěn)隨機(jī)反應(yīng)樣本函數(shù)中，獲取該結(jié)構(gòu)的自由振動反應(yīng)數(shù)據(jù)，進(jìn)而進(jìn)行時域模態(tài)參數(shù)識別的方法。同濟(jì)大學(xué)黃鵬等[7]根據(jù)氣彈模型試驗(yàn)數(shù)據(jù), 采用隨機(jī)減量法及特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法(ERA), 首次研究了在受擾情況下高層建筑氣動阻尼的變化.李明等[15]在隨機(jī)減量技術(shù)的基礎(chǔ)上將抽樣技術(shù)應(yīng)用于隨機(jī)減量法中隨機(jī)振動信號的提取,在一定程度上解決了隨機(jī)信號段數(shù)不足的問題,明顯改善隨機(jī)減量信號的質(zhì)量.重慶大學(xué)羅鈞等[8]根據(jù)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別方法的缺陷，平穩(wěn)激勵假定的不足的這個方面，提出了一種非平穩(wěn)激勵下的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別方法。

EAR特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法是由Juang等人[9]提出用于模態(tài)參數(shù)的識別的方法，是一種基于脈沖響應(yīng)函數(shù)的多輸入多輸出的時域模態(tài)參數(shù)識別法，它采用奇異值分解技術(shù)確定系統(tǒng)的階次，從而獲得系統(tǒng)最小實(shí)現(xiàn)。劉福強(qiáng)等[10]以多輸入多輸出特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法為基礎(chǔ)，提出了一種以遞推形成一個對稱半正定陣，以特征值分解代替奇異值分解，采用相關(guān)濾波的方法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理提高識別精度。張樞文等[11]以一個十自由度的彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)算例考核了ERA方法的可行性及其抗噪能力,并進(jìn)行了模態(tài)參數(shù)的識別，表明該方法在結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度發(fā)生損傷時，能有效的進(jìn)行損傷識別和定位。李煒明等[12]在激勵未知的情況下，引入特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法，基于試驗(yàn)加速度數(shù)據(jù)，對一三層框架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)參數(shù)的辨識。

總結(jié)與展望

結(jié)構(gòu)的的模態(tài)參數(shù)描述的是系統(tǒng)的振動特性，反映結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度的分布狀態(tài)，如果結(jié)構(gòu)模態(tài)發(fā)生變化，從而可以定性和定量的判別結(jié)構(gòu)性態(tài)的改變。時域法的特點(diǎn)是直接利用時域數(shù)據(jù)識別結(jié)構(gòu)參數(shù)，只使用實(shí)際響應(yīng)信號而不需要傅里葉變換，因此可以避免由于傅里葉變換出現(xiàn)的問題；另外時域方法只需要響應(yīng)信號，減少了激勵設(shè)備，節(jié)約了測試時間、降低了測試費(fèi)用，尤其對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)變的很有意義。模態(tài)參數(shù)時域識別作為目前參數(shù)識別的一個研究熱點(diǎn)。盡管還存在著一些方面的局限和不足，但由于在當(dāng)前工程領(lǐng)域上的巨大前景和優(yōu)勢，隨著識別方法的創(chuàng)新和理論的不斷進(jìn)步，相信模態(tài)參數(shù)識別的時域方法會有著更加廣闊的發(fā)展空間。

[1]Brown, D., Allemang, R., Zimmerman, R., and Mergeay, M., "Parameter Estimation Techniques for Modal Analysis," SAE Technical Paper 790221, 1979.

[2]劉征宇, 陳心昭, 李登嘯. 關(guān)于最小二乘復(fù)指數(shù)法的時域模態(tài)參數(shù)識別技術(shù)[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 1989, 12(3): 10-16.

[3]曾發(fā)林，許凱.最小二乘復(fù)指數(shù)法在排氣管試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析中的應(yīng)用[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版, 2016, 1(37): 45-48.

[4]Ibrahim S.R. Mikulcik E.C. A method for the direct identification of vibration parameters from the free response. Shock and Vibration Bulletin,1977, 47: 183-198.

[5]Ibrahim S.R.An Hessenbergspares matrix algorithm for model identification on minicomputer[J].Journal of Sound and Vibration,1987,113(1): 47-57.

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[7]黃鵬,顧明.高層建筑干擾氣動阻尼的試驗(yàn)研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào).2003,31(6):652-656.

[15]李明,吳紅華,史文海.分層抽樣技術(shù)在隨機(jī)減量法中的應(yīng)用[J].2008,3:79-82.

[8]羅鈞,劉綱,黃宗明.基于隨機(jī)減量法的非平穩(wěn)激勵下模態(tài)參數(shù)識別[J].振動與沖擊.2015,34(21):19-24.

[9]Juang J.N.,Pappa R .S . An Eigensystem Realzation Algotithm(ERA) for Modal Parameter Identification and Model Reduction[J]. Journal of

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[10]劉福強(qiáng), 張令彌. 一種改進(jìn)的特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法及在智能結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].振動工程學(xué)報(bào).1999,12(3):316-321.

[11]張樞文, 嵇春艷, 吳立人.ERA法識別大型結(jié)構(gòu)損傷與定位[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào).2007,21(3):17-21.

[12]李煒明,朱宏平,吳賢國,夏勇.未知激勵下框架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)辨識的特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法[J].2010,29(8):228-231.