基于小波變換模態(tài)參數(shù)識別原理的共振拆除法理論研究

韓彥龍

（承德石油高等?？茖W(xué)校 機械工程系，河北 承德 067000）

基于小波變換模態(tài)參數(shù)識別原理的共振拆除法理論研究

韓彥龍

（承德石油高等?？茖W(xué)校 機械工程系，河北 承德 067000）

提出了一種經(jīng)濟(jì)、安全的建筑物拆除法-共振拆除法。依據(jù)小波變換模態(tài)參數(shù)辨識原理，求得建筑物理論固有頻率及模態(tài)參數(shù)；建立樓房數(shù)學(xué)模型，模擬安裝多臺激振器，遙控激振器發(fā)出與建筑物固有頻率相同頻率激勵，使樓房共振。建筑物激烈振動而坍塌，實現(xiàn)安全拆除建筑物的目的。

共振拆除法；小波變換；固有頻率

現(xiàn)階段廢舊建筑物拆除主要采用爆破方式，強烈的振動波會對周圍建筑物造成結(jié)構(gòu)性損壞。共振拆除法模擬建筑物上多處安裝激振器，遙控使其持續(xù)產(chǎn)生與建筑物固有頻率相同頻率的激勵，建筑物發(fā)生共振，劇烈振動而倒塌。

1 模態(tài)參數(shù)辨識

信號x(t)=A(t)cos(ωt)解析信號為：其中，H[(x(t))]為x(t)Hilbert變換：

x(t)與xa(t)小波變換關(guān)系是：

將在附近泰勒級數(shù)展開：

小量忽略得：

單自由度粘性阻尼系統(tǒng)脈沖響應(yīng)函數(shù)可表示為：

由（5）式，單自由度粘性阻尼系統(tǒng)脈沖響應(yīng)函數(shù)的小波變換為：

給定尺度參數(shù)，小波變換的模與相位分別為：

單自由度粘性阻尼系統(tǒng)脈沖響應(yīng)函數(shù)小波變換后，由其模及相位可得到：

通過脈沖響應(yīng)函數(shù)小波變換模在單對數(shù)坐標(biāo)中的直線斜率及小波變換幅角直線斜率，就可以估算出系統(tǒng)的固有頻率和相對阻尼比。建筑物為多自由度粘性阻尼振動系統(tǒng)，其脈沖響應(yīng)函數(shù)可以寫成：

其中，N是需考慮的模態(tài)階數(shù)，A0i，ωni，ωdi和 ■1-ξ2ωni分別是系統(tǒng)第i階振幅、無阻尼情況固有頻率，有阻尼情況固有頻率和相對阻尼比。對式（12）（13）做小波變換

由于小波變換為線性變換，可交換（14）式求和積分的運算順序，將Ai(t)在t=b附近泰勒級數(shù)展開并將小量o(Ai(b))忽略，考慮式（4）（5）得到（15）不同尺度的小波變化相當(dāng)于用一組帶通濾波器對信號進(jìn)行帶通濾波處理，選擇不同尺度參數(shù)值a，使得小波基的頻窗中心近似等于某階模態(tài)頻率，可實現(xiàn)模態(tài)濾波，系統(tǒng)解耦。

式重寫為：

根據(jù)（10）（11）：

這樣就可以估算出建筑物系統(tǒng)的第i階固有頻率和相對阻尼比。

2 樓房數(shù)學(xué)模型

以一幢6層混凝土結(jié)構(gòu)樓房為例，如圖1示。利用小波變換原理，可求得該樓房某低階共振頻率。為保證激振器有足夠能量使該樓房發(fā)生共振，在墻壁上鉆出與激振器外形相配合的透墻孔，安裝時使激振器與墻壁充分接觸并用螺栓固定，選用能產(chǎn)生較大能量的勵磁式電動激振器。每層樓房的四面墻壁上各安裝一個勵磁式電動激振器，遙控激振器同時啟動。調(diào)節(jié)激振器的振動頻率為ωn。在安全距離之外遙控同時啟動激振器，樓房在這些激振器同時激勵的情況下發(fā)生共振，發(fā)生倒塌，達(dá)到拆除樓房的目的。

圖1 樓房模型

3 展望

與傳統(tǒng)爆破相比，共振拆除法更具經(jīng)濟(jì)性，可避免爆破時對周圍房屋的結(jié)構(gòu)性損壞。建筑物坍塌范圍易控制，廢棄建筑材料易收集清理。不可否認(rèn)，共振拆除也存在一些技術(shù)問題，激振器能否產(chǎn)生足夠能量使建筑物產(chǎn)生共振，有待實驗證實。相信不久的將來，共振拆除將作為一種新的方法被廣泛應(yīng)用。

[1]張義民，機械振動[M].北京，清華大學(xué)出版社，2007．

[2]聞邦椿.振動利用工程[M].北京:科學(xué)出版社，2005．

[3]李鶴，姚紅良，聞邦椿等.基于小波變換方法的高層建筑模態(tài)參數(shù)辨識[J].振動與沖擊，2005．

[4]陳元鵬.土木工程結(jié)構(gòu)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2011．

圖2 線圈松馳圖

5 結(jié)語

由上述可知，當(dāng)立式繞線機拉力值過小時，線圈繞制完成后，線圈不緊實，導(dǎo)線間有間隙，且B端尺寸大于技術(shù)要求值。適當(dāng)?shù)脑龃罅⑹嚼@線機拉力可以減小線餅B端尺寸，且不影響導(dǎo)線線規(guī)，從而改善B端尺寸偏大的問題。但是當(dāng)立式繞線機拉力過大，又會導(dǎo)致線圈不符合技術(shù)要求。

表2 導(dǎo)線線規(guī)變化表

由此得出，繞線機的拉力與線圈尺寸息息相關(guān)，在線圈繞制時，繞線機拉力必須調(diào)整到適當(dāng)?shù)钠ヅ渲怠?/p>

Thoretical Research on Resonance Demolition based on the Identification Principle of WT Modal Parameters

HAN Yan-long
（Department of Mechanical Engineering,Chengde Petroleum College,Chengde，Hebei 067000,China）

In this paper,a new economy safe method for removing building called resonance demolition was put forward.We got the natural frequency and modal parameters of a building system based on the theory of wavelet transform modal parameter identification.The mathematical model of the building system was establish.Many exciters were simulated and installed,remote control exciters generated incentive with the same frequency of the natural frequency of the buildings,Finally,the exciters and building systems achieved resonance.Because of vibrating intensely,the building collapsed.and the goal of tearing down used buildings with the method of resonance instead of blasting with dynamite was achieved.

Resonance Demolition；Wavelet transform(WT)；Natural frequency

TH113.1

A

2095-980X（2015）02-0058-02

2015-01-15

韓彥龍（1987-），男，河北石家莊人，碩士，主要研究方向：機械設(shè)計及理論。