试验人员：黄然，王世东，黄亮

指导老师：任伟新

项目来源：纵向基金

试验摘要：桥梁结构的健康监测通常是基于桥梁结构的动力特性，通过模态参数识别获取结构的模态参数，如固有频率、振型以及阻尼比，然后根据这些模态参数的变化进行损伤识别。然而模态参数不仅对损伤敏感，同时也对环境因素敏感，包括温度条件、湿度条件、光照以及风速等环境因素，其中温度是影响结构损伤监测的最主要因素。环境温度影响可能大到足以掩盖由损坏引起的变化，特别是在总是暴露于环境因素的桥梁结构中，这就可能导致结构监测损 伤误报和错报的可能性，使得这种方法在实际工程中的应用受到一定的限制，所将响应中的温度因素分离出来就变得尤为重要。本实验在通过有限元模拟和环境模拟实验探究了温度对模态频率的影响，基于协整算法找到多个频率序列之间的协整向量，通过多个序列之间的线性组合过程去除序列之间的共同趋势，从而将温度因素成功的分离出来。实验以一个两端固结的钢梁为研究对象，在梁上布置多个加速度传感器和温度传感器，并将其置于环境模拟箱中以模拟自然条件下温度的变化，通过对梁在不同温度下的动态测试实验，由模态参数识别方法识别出结构的模态频率，得到频率和温度的变化规律，并验证协整理论的有效性和正确性。

1、模态频率的温度效应

国内外大量研究表明，环境因素特别是温度对基于振动的桥梁 SHM 影响已经不可 被忽视，由在实际工程中，由损伤引起的结构模态频率的改变完全可以被温度变 化引起模态频率的变化淹没，从而导致桥梁 SHM 发出错误的损伤预警。为了避免 在实际操作中发生这种情况，必须采取一定的方法将温度的影响从结构变化分离出来。 

2、基于频率协整方法

从桥梁健康监测发展至今，制约其发展的最大障碍之一就是不断变化环境因素和运营条件对其监测的参数（通常是固有频率）的影响。由于环境因素和运营条件的变化对导致结构的频率发生周期性的波动和时变特征，导致在时间序列上表现出为非平稳。协整最早是由 Cross EJ 等提出并详细分析协整应 用到结构健康监测中的可行性，如果一个健康监测系统中的多个变量是协整的，在协 整过程中产生的平稳线性组合将会清除所有原始数据集中的共同趋势，留下一个 等价于该过程的长期动态平衡的残差就桥梁健康监测数据而言，协整过程所消除的共同趋势就是让结构发生动力响应的变化环境因素和运营条件。协整在结构健康监测中用来处理变化的环境因素被认为是一种有希望的新方法。 

3、结论

通过大型环境箱试验进一步验证协整理论，研究对象是一两端固结的钢梁，通过环境模拟箱调整温度的变化来模拟自然环境中温度的变化。同时通过对该梁进行动力测试，识别出在不同温度下的频率，最后同样协整理论建立“频率-温度”，试验结果表明协整在桥梁 SHM 中消除环境温度因素具有良好的适用性。