1、1基于环境激励模态参数识别方法研究进展摘要：结构健康监测对于桥梁等大型土木结构工程具有十分重要的意义，用环境激励引起的振动对结构系统识别具有许多优点1，本文参考国内外最新研究成果，对基于环境激励模态参数识别方法的研究进行了综述，并在此基础上指出其存在的关键问题和研究发展方向。 关键词：环境激励 模态参数识别 中图分类号：N945.14 随着我国大型土木工程结构的大量建设，结构的监测评估越来越受到重视，但由于其结构的复杂性，传统的模态测试方法实施难度大、成本高，已不能满足工程需要。基于环境激励的模态参数识别方法具有不影响结构正常使用、仅需结构的输出响应便可识别结构的模态参数等优点越来越受到国内外
2、的关注。近年来 基于环境激励的态参数识别方法又有了新的发展，本文参考国内外最新研究成果对其进行了详细的综述，并在此基础上指出其存在的关键问题和研究发展方向。 1. 模态参数识别方法： 1.1 峰值法 峰值法是一种最简单的模态参数识别方法。最初是基于结构自振频率响应函数上会出现峰值，成为特征频率的良好估计2。Bao 和 Ko3，Lin 和 Nikaeen4，Luz5等率先利用功率谱峰值法提取模态参数，用2这种方法得到自振频率并用半功率带宽法计算阻尼，最后用各响应点和参考点的互谱密度函数值和自谱密度函数值确定振型方向和振型分量比值得出振型。在此基础上，进而产生了频域分解法、联合时域分析法6.近来应
3、用实践中，王睿等7提出了一种基于峰值法及稳定图原理的钢结构塔模态参数识别方法，利用稳定图原理处理的一阶段处理图在三维坐标中进行呈现，并进行二次处理，得到了良好的效果。 1.2 自然激励技术（NExT） 由美国 SADIA 国家实验室的 James 和 Carne 提出，用来获取模态识别所需的自由响应数据8-9韩建平等10基于 Hilbert-Huang 变换和自然激励技术，提出了一种新的模态参数识别方法，首先通过经验模态分解和 Hilbert 变换提取信号的瞬时特性，进而利用自然激励技术和模态分析的基本理论识别结构的模态频率和模态阻尼比。李万润11基于传递函数提出了一种基于 ARX（Auto
4、Regressive model with exogenous input）模型建立伪传递函数（Pseudo-Transfer Function）的损伤定位方法，并结合自然激励技术对其进行了改进，可将该方法应用于环境激励下结构的损伤识别。 1.3 时间序列法 时间序列法是一种利用参数模型对有序的随机采样数据进行处理，从而进行模态参数识别的方法。用到得参数模型有：AR 模型、MA 模型、ARMA 模型和 ARMAX 模型 12-15.各种模型参数估计的算法有最小二乘法、Levinson 法、Burg 法、先后估计法和长自回归白噪法。1969 年，Akaile16首次利用自回归滑动均值模型进行白噪
5、声激励下的模态参数3识别。 1.4 随机减量法 随机减量法17-19的步骤为： （1）将响应信号分成若干相等长度的段，并对其进行叠加，得到自由衰减的振动信号。 （2）结合其他模态识别方法识别模态数据。Y.Jann N20等人阐述了随机减量法的数学基础；Ibrahim 把随机减量法运用到了多通道信号领域。此方法仅适用于白噪声激励的情况。 1.5 随机子空间法 随机子空间法是目前比较先进的识别方法，但是处理数据时间长。近年来，同济大学的常军、张启伟、孙利民21，22，23等人对其计算效率进行了改进。这种方法的步骤为： （1）采集环境激励下结构的动力响应数据。 （2）对动力响应数据进行预处理，并求得
6、结构的系统矩阵。 （3）根据根据结构的系统矩阵提取结构的模态参数（固有频率、阻尼比、振型等） 。 （4）对模态参数的识别结构进行分析，作出稳定图24。根据加权方法的不同有三种算法：UPC 算法、CVA 算法、PC 算法，从计算结果看，PC 算法的精度较高25. 1.6 特征系统实现算法（ERA） 特征值实现算法通过构建 hankel 矩阵求得系统的特征值和特征向量，从而得到模态参数，且其主要难点在于准确确定 hankel 矩阵。Pappa26等4对其进行了持续的研究。祁泉泉等27在此算法基础上引入观测马科夫（Observer Markov）参数，推导并提出了扩展特征系统实现算法（EERA） 。
7、 1.7 时频分析方法 时频分析方法分为线性时频分析方法和双线性时频分析方法。作为一种新的参数识别方法，越来越受到人们的关注。近年来其热点主要包括：魏格纳分布（ WVD） 、短时傅里叶变换（STFT） 、时变 ARMA 参数化模型28-31、小波变换（WT） 、Hiber-黄变换（HHT） 。 2 存在的关键问题及研究发展方向 现有的基于环境激励模态参数的识别方法虽然有了很大的发展，但是由于噪声的干扰、非稳态激励的存在、结构外部环境的变化，使其在实际工程中遇到了许多问题。其研究发展趋势主要有： （1）信号降噪处理目前仍为研究的热点。 （2）研究具有自主产权的实验模态分析系统。 （3）对非稳态环
8、境激励下的模态参数识别问题研究。 （4）温度、风力等环境因素影响是模态参数识别的一个重要问题。 （5）真实模态与虚假模态参数识别具有远大的发展前景。 参考文献： 1 任伟新. 环境振动系统识别方法的比较分析. 福州大学学报（自然科学版） ，2001，29（6）：80-86. 2 王睿，刘晓平，张鹏. 一种基于峰值法及稳定图原理的钢结构塔模态参数识别方法J.信息通信，2012，121（5）：77-78. 53 韩建平，李达文. 基于 HILBERT-Huang 变换和自然激励技术的模态参数识别J. 工程力学，2010，27（8）：54-59. 4 李万润. 基于模型修正与时序分析的结构损伤识别方
9、法研究D.兰州理工大学 2013. 5 赵永辉，邹经湘.利用 ARMAX 模型识别结构模态参数J.振动与冲击.2000，19（1）：34-36. 6 刘齐茂.用随机减量技术及 ITD 法识别工作模态参数J.广西工学院学报.2002，13（04）：23-26. 7 黄方林，何旭辉，陈政清等.随机减量法在斜拉桥索模态参数识别中的应用J.机械强度.2002，24（03）：331-334. 8 常军，孙利民，张启伟.基于两阶段稳定图的随机子空间识别结构模态参数J.地震工程与工程振动，2008，28（3）：47-51. 9 常军.随机子空间方法在桥梁模态参数识别中的应用研究D.博士学位论文.上海：同济大学，2006. 10 常军，孙利民，张启伟.随机子空间识别方法计算效率的改进J.地震工程与振动，2007，27（3）：88-94. 作者简介：贾晓健（1992.03-） ，男，山西人，大学本科，研究方向：桥梁。
