高桩码头基桩模态参数识别方法研究

张干

(交通运输部天津水运工程科学研究所水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津 300456)

高桩码头基桩模态参数识别方法研究

张干

(交通运输部天津水运工程科学研究所水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津 300456)

通过建立高桩码头基桩物理模型，进行了模态试验和基于ANSYS的模态分析，结果表明：高桩码头基桩模态参数有限元模拟结果与模态试验识别结果吻合较好，验证了数值模型建立方法的正确性和高桩码头基桩模态参数基于随机子空间识别方法的可行性。

随机子空间法，高桩码头基桩，模态识别，有限元

0 引言

在自然环境下，大型的港口码头结构的模态一般很难被激发出来，这就需要采用环境激励的方法来对复杂的港口码头结构进行模态识别研究。自然界中的地脉动、波浪、风、潮汐等对结构的作用都可视为自然环境激励。理论上，基于环境振动的结构模态参数识别方法只须获取待测结构的响应而不用关心结构的激励，就可以识别出结构的模态参数。目前，在多位研究学者的努力下，基于环境振动的模态参数识别方法取得了一些进展，提出的主要方法有以下几种：自然激励技术(NExT)、自回归滑动平均模型(ARMA)、功率谱峰值法(PP)、随机子空间法(SSI)等。其中，随机子空间法更是近期研究的热点，在大型结构模态参数识别领域得到广泛的应用和发展。

本文对高桩码头基桩物理模型进行模态试验，对基桩损伤前后的模态识别结果进行分析。建立高桩码头基桩物理模型，对物理模型进行模态试验，并对物理模型进行基于ANSYS的有限元的模态分析，模态试验和模态分析对比研究结果表明：高桩码头基桩模态参数有限元模拟结果与模态试验识别结果吻合较好，验证了数值模型建立方法的正确性和高桩码头基桩模态参数基于随机子空间识别方法的可行性。

1 高桩码头基桩物理模型模态试验

1.1 高桩码头基桩物理模型参数

进行高桩码头基桩物理模型实验主要有两个方面的目的，一是验证自然激励模态识别方法应用于高桩码头基桩模态识别的可行性，二是验证建立有限元数值模型方法的正确性。高桩码头基桩模型建立在粉砂土和淤泥质粘土地基之上，采用钢筋混凝土材料制作，试验大厅的土槽长14.5 m、宽6.5 m、深3 m，地基由两层与高桩码头原型结构处相似的粉砂土和淤泥质粘土构成，其中底层粉砂土厚1.5 m，上部淤泥质粘土厚1.5 m。在高桩码头基桩物理模型制作的过程中，对每层土进行压实。物理模型材料参数见表1，物理模型结构断面图见图1。

表1 物理模型材料参数

1.2 模型实验

物理模型实验测试仪器采用INV3020高性能数据采集分析仪，传感器为INV9828型ICP加速度传感器。在高桩码头基桩桩身上沿X，Y两个方向布置传感器，共计8只，其中传感器距离基桩顶部的距离分别为0 m，0.4 m，0.8 m，1.2 m。需要说明的是，为了更好地激励出物理模型的模态，在实验过程中采用橡胶力锤随机敲击基桩桩身的方法来模拟自然激励。这是一种为了取得较好实验效果的工况简化，并不会影响模态试验的原理和实质。在安装好数据采集系统后，对高桩码头基桩物理模型进行激励，采集混凝土桩身加速度时程曲线，然后根据编制的基于随机子空间法的模态参数识别程序，对所测得的桩身加速度时程数据进行处理，识别出物理模型的模态参数。图2为高桩码头基桩模态试验数据采集照片，图3为基于随机子空间法的高桩码头基桩模态参数识别流程图。

1.3 模型试验结果

此次模态测试每组数据采集时间为180 s，采样频率定为1 024 Hz。将采集的数据利用已编制的随机子空间法(SSI)模态参数识别程序处理，依据稳定图原理剔除虚假模态，提取物理模型真实模态参数，识别的结果见表2。

表2 高桩码头基桩物理模型模态识别结果

2 高桩码头基桩物理模型有限元数值分析

为了验证上文中物理模型试验方法的正确性，按照物理模型实际的几何尺寸、材料特性及土性参数等，建立考虑土—结构物相互作用的有限元模型。对所建立的有限元模型进行模态分析，提取模型的频率等模态参数。有限元模型中的土体本构模型采用经典的DP模型来分析，为了便于自由度的提取方便，高桩码头基桩采用Beam4单元来模拟，高桩码头基桩和土体之间考虑结构与土体的相互作用。由于现阶段ANSYS中还无法做到考虑非线性的模态分析，因此在本次有限元模拟分析中未考虑非线性的情况。

2.1 高桩码头基桩有限元模型的建立

高桩码头基桩模型的几何和材料参数如下：桩高3.0 m，桩的横截面边长均为0.08 m，桩的弹性模量取2.7×104MPa，桩的密度取2.5×103kg/m3，泊松比取0.167。本次模拟采用Beam4单元对基桩进行离散，基桩共离散为6个单元，7个节点，每个节点考虑6个自由度，即UX,UY,UZ和ROTX,ROTY,ROTZ，共42个自由度。在ANSYS中Beam4在每个节点上有六个自由度，是一种可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元。基桩—土之间通过建立接触单元来约束。依据上述所选择的单元和边界约束条件，在ANSYS数值模拟中采用DP模型本构模型，建立有限元模型，建立的有限元模型见图4。

2.2 有限元计算结果

采用子空间法(Subspace)对模型进行模态分析，通过ANSYS

后处理，提取高桩码头基桩有限元模型前两阶的频率，计算结果见表3。

表3 前两阶频率计算结果

3 有限元模拟结果与模态试验结果对比分析

将高桩码头基桩物理模型通过基于随机子空间法的模态实验进行识别的模态参数结果和基于ANSYS有限元计算的模态参数值汇总于表4，对实验结果和数值计算结果进行对比分析。

表4 高桩码头基桩模态参数结果汇总表

根据表4高桩码头基桩模态参数结果对比可知，基于随机子空间法识别出的基桩第一阶频率为8.73 Hz，第二阶频率在10.28 Hz左右。ANSYS计算结果与模态试验识别结果比较，高桩码头基桩第一阶频率误差为1.03%，第二阶频率误差为3.98%，高桩码头基桩模态实验值和计算值接近，误差较小。

4 结语

1)基于随机子空间法，对高桩码头基桩模态参数识别方法进行了研究，研究表明:在自然环境激励下，随机子空间法能够应用于高桩码头基桩的模态参数识别。

2)高桩码头基桩物理模型的有限元计算结果与模态实验识别值相差较小，表明在ANSYS中采用DP模型本构模型，基桩—土之间通过建立接触单元来约束的建模的方法及计算是合理的。

3)在模态试验中不可避免地受到环境噪声的影响，如何有效地剔除环境噪声对模态参数识别的干扰，是后期值得研究的课题。

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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

张干(1984- )，男，硕士，助理研究员

1009-6825(2015)14-0079-02

U656.1