高樁碼頭基樁模態(tài)參數(shù)識別方法研究

張 干

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 水工構(gòu)造物檢測、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

高樁碼頭基樁模態(tài)參數(shù)識別方法研究

張 干

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 水工構(gòu)造物檢測、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

通過建立高樁碼頭基樁物理模型，進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn)和基于ANSYS的模態(tài)分析，結(jié)果表明：高樁碼頭基樁模態(tài)參數(shù)有限元模擬結(jié)果與模態(tài)試驗(yàn)識別結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了數(shù)值模型建立方法的正確性和高樁碼頭基樁模態(tài)參數(shù)基于隨機(jī)子空間識別方法的可行性。

隨機(jī)子空間法，高樁碼頭基樁，模態(tài)識別，有限元

0 引言

在自然環(huán)境下，大型的港口碼頭結(jié)構(gòu)的模態(tài)一般很難被激發(fā)出來，這就需要采用環(huán)境激勵的方法來對復(fù)雜的港口碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)識別研究。自然界中的地脈動、波浪、風(fēng)、潮汐等對結(jié)構(gòu)的作用都可視為自然環(huán)境激勵。理論上，基于環(huán)境振動的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別方法只須獲取待測結(jié)構(gòu)的響應(yīng)而不用關(guān)心結(jié)構(gòu)的激勵，就可以識別出結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。目前，在多位研究學(xué)者的努力下，基于環(huán)境振動的模態(tài)參數(shù)識別方法取得了一些進(jìn)展，提出的主要方法有以下幾種：自然激勵技術(shù)(NExT)、自回歸滑動平均模型(ARMA)、功率譜峰值法(PP)、隨機(jī)子空間法(SSI)等。其中，隨機(jī)子空間法更是近期研究的熱點(diǎn)，在大型結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

本文對高樁碼頭基樁物理模型進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，對基樁損傷前后的模態(tài)識別結(jié)果進(jìn)行分析。建立高樁碼頭基樁物理模型，對物理模型進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，并對物理模型進(jìn)行基于ANSYS的有限元的模態(tài)分析，模態(tài)試驗(yàn)和模態(tài)分析對比研究結(jié)果表明：高樁碼頭基樁模態(tài)參數(shù)有限元模擬結(jié)果與模態(tài)試驗(yàn)識別結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了數(shù)值模型建立方法的正確性和高樁碼頭基樁模態(tài)參數(shù)基于隨機(jī)子空間識別方法的可行性。

1 高樁碼頭基樁物理模型模態(tài)試驗(yàn)

1.1 高樁碼頭基樁物理模型參數(shù)

進(jìn)行高樁碼頭基樁物理模型實(shí)驗(yàn)主要有兩個(gè)方面的目的，一是驗(yàn)證自然激勵模態(tài)識別方法應(yīng)用于高樁碼頭基樁模態(tài)識別的可行性，二是驗(yàn)證建立有限元數(shù)值模型方法的正確性。高樁碼頭基樁模型建立在粉砂土和淤泥質(zhì)粘土地基之上，采用鋼筋混凝土材料制作，試驗(yàn)大廳的土槽長14.5 m、寬6.5 m、深3 m，地基由兩層與高樁碼頭原型結(jié)構(gòu)處相似的粉砂土和淤泥質(zhì)粘土構(gòu)成，其中底層粉砂土厚1.5 m，上部淤泥質(zhì)粘土厚1.5 m。在高樁碼頭基樁物理模型制作的過程中，對每層土進(jìn)行壓實(shí)。物理模型材料參數(shù)見表1，物理模型結(jié)構(gòu)斷面圖見圖1。

表1 物理模型材料參數(shù)

1.2 模型實(shí)驗(yàn)

物理模型實(shí)驗(yàn)測試儀器采用INV3020高性能數(shù)據(jù)采集分析儀，傳感器為INV9828型ICP加速度傳感器。在高樁碼頭基樁樁身上沿X，Y兩個(gè)方向布置傳感器，共計(jì)8只，其中傳感器距離基樁頂部的距離分別為0 m，0.4 m，0.8 m，1.2 m。需要說明的是，為了更好地激勵出物理模型的模態(tài)，在實(shí)驗(yàn)過程中采用橡膠力錘隨機(jī)敲擊基樁樁身的方法來模擬自然激勵。這是一種為了取得較好實(shí)驗(yàn)效果的工況簡化，并不會影響模態(tài)試驗(yàn)的原理和實(shí)質(zhì)。在安裝好數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)后，對高樁碼頭基樁物理模型進(jìn)行激勵，采集混凝土樁身加速度時(shí)程曲線，然后根據(jù)編制的基于隨機(jī)子空間法的模態(tài)參數(shù)識別程序，對所測得的樁身加速度時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，識別出物理模型的模態(tài)參數(shù)。圖2為高樁碼頭基樁模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集照片，圖3為基于隨機(jī)子空間法的高樁碼頭基樁模態(tài)參數(shù)識別流程圖。

1.3 模型試驗(yàn)結(jié)果

此次模態(tài)測試每組數(shù)據(jù)采集時(shí)間為180 s，采樣頻率定為1 024 Hz。將采集的數(shù)據(jù)利用已編制的隨機(jī)子空間法(SSI)模態(tài)參數(shù)識別程序處理，依據(jù)穩(wěn)定圖原理剔除虛假模態(tài)，提取物理模型真實(shí)模態(tài)參數(shù)，識別的結(jié)果見表2。

表2 高樁碼頭基樁物理模型模態(tài)識別結(jié)果

2 高樁碼頭基樁物理模型有限元數(shù)值分析

為了驗(yàn)證上文中物理模型試驗(yàn)方法的正確性，按照物理模型實(shí)際的幾何尺寸、材料特性及土性參數(shù)等，建立考慮土—結(jié)構(gòu)物相互作用的有限元模型。對所建立的有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，提取模型的頻率等模態(tài)參數(shù)。有限元模型中的土體本構(gòu)模型采用經(jīng)典的DP模型來分析，為了便于自由度的提取方便，高樁碼頭基樁采用Beam4單元來模擬，高樁碼頭基樁和土體之間考慮結(jié)構(gòu)與土體的相互作用。由于現(xiàn)階段ANSYS中還無法做到考慮非線性的模態(tài)分析，因此在本次有限元模擬分析中未考慮非線性的情況。

2.1 高樁碼頭基樁有限元模型的建立

高樁碼頭基樁模型的幾何和材料參數(shù)如下：樁高3.0 m，樁的橫截面邊長均為0.08 m，樁的彈性模量取2.7×104MPa，樁的密度取2.5×103kg/m3，泊松比取0.167。本次模擬采用Beam4單元對基樁進(jìn)行離散，基樁共離散為6個(gè)單元，7個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)考慮6個(gè)自由度，即UX,UY,UZ和ROTX,ROTY,ROTZ，共42個(gè)自由度。在ANSYS中Beam4在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有六個(gè)自由度，是一種可用于承受拉、壓、彎、扭的單軸受力單元。基樁—土之間通過建立接觸單元來約束。依據(jù)上述所選擇的單元和邊界約束條件，在ANSYS數(shù)值模擬中采用DP模型本構(gòu)模型，建立有限元模型，建立的有限元模型見圖4。

2.2 有限元計(jì)算結(jié)果

采用子空間法(Subspace)對模型進(jìn)行模態(tài)分析，通過ANSYS

后處理，提取高樁碼頭基樁有限元模型前兩階的頻率，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 前兩階頻率計(jì)算結(jié)果

3 有限元模擬結(jié)果與模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果對比分析

將高樁碼頭基樁物理模型通過基于隨機(jī)子空間法的模態(tài)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行識別的模態(tài)參數(shù)結(jié)果和基于ANSYS有限元計(jì)算的模態(tài)參數(shù)值匯總于表4，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析。

表4 高樁碼頭基樁模態(tài)參數(shù)結(jié)果匯總表

根據(jù)表4高樁碼頭基樁模態(tài)參數(shù)結(jié)果對比可知，基于隨機(jī)子空間法識別出的基樁第一階頻率為8.73 Hz，第二階頻率在10.28 Hz左右。ANSYS計(jì)算結(jié)果與模態(tài)試驗(yàn)識別結(jié)果比較，高樁碼頭基樁第一階頻率誤差為1.03%，第二階頻率誤差為3.98%，高樁碼頭基樁模態(tài)實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值接近，誤差較小。

4 結(jié)語

1)基于隨機(jī)子空間法，對高樁碼頭基樁模態(tài)參數(shù)識別方法進(jìn)行了研究，研究表明:在自然環(huán)境激勵下，隨機(jī)子空間法能夠應(yīng)用于高樁碼頭基樁的模態(tài)參數(shù)識別。

2)高樁碼頭基樁物理模型的有限元計(jì)算結(jié)果與模態(tài)實(shí)驗(yàn)識別值相差較小，表明在ANSYS中采用DP模型本構(gòu)模型，基樁—土之間通過建立接觸單元來約束的建模的方法及計(jì)算是合理的。

3)在模態(tài)試驗(yàn)中不可避免地受到環(huán)境噪聲的影響，如何有效地剔除環(huán)境噪聲對模態(tài)參數(shù)識別的干擾，是后期值得研究的課題。

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Study on the high-piled wharf piles modal identification based on stochastic subspace identification

Zhang Gan

(TianjinResearchInstituteofWaterTransportEngineering,KeyLaboratoryofHarbor&MarineStructureSafetyMinistryofCommunications,Tianjin300456,China)

Physical model of high-piled wharf piles is established. Model test and finite element numerical analysis of high-piled wharf piles are studied, the results of research show that high-piled wharf piles modal parameter identification based on the Stochastic Subspace Identification (SSI) is close to the finite element simulation results. It proves that modal parameter identification of the high-piled wharf piles based on Stochastic Subspace Identification (SSI) and the finite element model of the high-piled wharf piles are correct and reliable.

Stochastic Subspace Identification, high-piled wharf piles, modal parameter identification, finite element

2015-03-02

張 干(1984- )，男，碩士，助理研究員

1009-6825(2015)14-0079-02

U656.1

A