本發明屬于工程結構監測數據分析技術領域，涉及工程結構虛假模態判別方法。
背景技術：
工程結構如橋梁等在長期服役期間，會受到各種荷載的作用，如車輛荷載、風荷載、雨雪荷載、溫度變化等，為了評價結構的服役狀況，，準確識別結構的模態參數就顯得十分必要。對于工程結構模態參數識別方法已有大量的學者進行了研究，如隨機子空間方法、頻率拾取法、隨機減量法、特征系統實現算法。特征系統實現算法是最流行的模態參數識別方法之一，該方法僅需測得數據便可以分析出模態。然而，測得的數據與理論數據(真實數據)不相符，導致特征系統實現算法識別分析出的結構模態參數包含虛假模態。
虛假模態的識別與判別已引起了眾多學者的關注，也提出了許多判別方法，主要包括增加輸入數量來降低虛假模態成分，通過奇異熵或數值大小對奇異值進行截斷來判別真實模態數量等。Magalhaes等人在文章“Online automatic identification of the modal parameters of a long span arch bridge”中通過穩定圖的方法在不同頻率處判斷穩定點，進而分離虛假模態。Bazan等人在文章“Eigensystem realization algorithm(ERA):reformulation and system pole perturbation analysis”中通過增加輸入數量來減少干擾對真實模態的影響。然而，這些方法忽視了一個重要的問題，即環境干擾必然會影響甚至會淹沒真實模態，現有的方法僅能減小環境干擾的影響，尚難以對虛假模態進行準確判別。虛假模態會引起工程損傷及性能評估不準確，造成虛警現象的發生。因此，如何準確判別虛假模態對于確保工程結構的服役安全十分重要。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種工程結構虛假模態準確識別方法，解決環境干擾導致虛假模態難以分辨的問題。
本發明的技術方案是：推導一種虛假模態判別方法，其特點是依據實測脈沖響應數據，利用不同的帶有一個時間錯動的兩組時程數據來組成Hankel矩陣，然后進行奇異值分解和特征系統實現算法，進而求得結構的頻率、阻尼、和模態。通過穩定圖方法對結構自身的模態數量進行初步判斷，記此初步判斷的模態數為nt；再通過移動時程數據，選擇兩外兩組不同的時程數據組成新的Hankel矩陣，根據特征系統實現算法求得此時識別的頻率、阻尼、和模態；依此類推，最終得到的不同頻率點及其對應的數據選擇序號，并分別作為橫縱坐標，繪出數據移動穩定圖。該方法可以根據圖中隨著時程數據逐步向后錯動來判別頻率的變化，若頻率隨著時程數據的錯動產生了變化，即說明此模態受到了環境干擾，存在虛假模態。
本發明的技術方案：
一種工程結構虛假模態準確判別方法，步驟如下：
步驟一：初步判斷截斷階數nt
(1)通過兩組具有一個時間錯動的實測脈沖數據，組成Hankel矩陣H(k-1)和H(k)，如下形式：
式中：向量y為實測信號，k+i表示第k+i時刻，k到I+J+k-2為選擇的實測時程數據點個數；
(2)令k＝1，對Hankel矩陣HIJ(k-1)進行奇異值分解：
H(k-1)＝UΓ2VT
式中：Γ為奇異值矩陣；U和V為酉陣；
(3)設定初始截斷階數ntj＝2，對奇異值矩陣Γ進行截斷，利用截斷的奇異值矩陣Γ并通過特征系統實現方法求出特征頻率fi、阻尼比ζi和特征向量(模態)
(4)重復步驟(3)，令奇異值矩陣Γ的截斷階數ntj數值增加2，求出不同截斷階數所對應的特征頻率fi、阻尼比ζi和特征向量(模態)
(5)根據實際工程需要設定特征頻率fi誤差限值、阻尼比ζi誤差限值、模態振幅相關(Modal Amplitude Coherence，簡稱MAC)指標與1差值絕對值的限值；將滿足這三個誤差限值的頻率點作為穩定點，其頻率值及所對應的截斷階數作為穩定圖中橫縱坐標；
(6)重復步驟(4)，得到一系列穩定點，最終在穩定圖中畫出不同截斷階數ntj所對應的特征頻率點；
(7)若穩定圖中穩定點豎向排成一個豎直線，則所對應的頻率點為所關心的頻率，并記所關心的頻率個數為截斷階數nt。
步驟二：繪出數據移動穩定圖，判別虛假模態
(8)根據步驟(2)，令k的數值增加1，構造新的Hankel矩陣HIJ(k-1)，并進行奇異值分解；
(9)對奇異值矩陣Γ進行截斷，截斷階數為nt，通過特征系統實現方法求出特征頻率fi、阻尼比ζi和特征向量(模態)
(10)重復步驟(8)和(9)，得到不同k對應的特征頻率fi，將k作為縱坐標，fi作為橫坐標，繪于同一幅圖中形成數據移動穩定圖；
(11)通過數據移動穩定圖，判斷頻率fi是否隨著k的增大而產生劇烈的變化，若發現隨著k的增大，所對應頻率fi基本呈現豎直線，則說明頻率變化很小，可認為該頻率fi為穩定頻率，所對應模態為真實模態；反之，隨著k的增大，所對應頻率fi不成豎直線，說明該頻率與所對應模態受到了環境的干擾，而所對應的模態參數為虛假模態。從而實現了準確判別虛假模態的目的。
本發明的有益效果：通過改變數據的選取來判別環境對頻率的影響，這樣可直觀反映其對真實模態的影響，進而準確判別虛假模態。
具體實施方式
以下結合技術方案，進一步闡明本發明的實施方式。
取一個8層建筑結構框架，第1層質量為1.126×106kg，第2～8層質量為1.100×106kg，第1～5層剛度為862.07×106N/m，第6～8層剛度為554.17×106N/m，阻尼采用瑞利阻尼，瑞利阻尼系數由前兩階5％的阻尼比來確定，激勵形式為脈沖激勵，噪聲水平為實際信號方差的20％，實測信號為8層結構的每層位移。具體實施方式如下：
(1)令I＝100，J＝100；并令k＝1，選取第1時刻到第199時刻的實測信號y，及第2時刻到第200時刻實測信號y(即兩組具有一個時間錯動的實測脈沖數據)，組成Hankel矩陣H(k-1)和H(k)，如下形式：
式中：向量y為帶有噪聲干擾的實測信號；角標k+i表示第k+i時刻，其中i＝0...I+J+k-2；k到I+J+k-2為選擇的實測時程數據點個數。
(2)對Hankel矩陣HIJ(k-1)進行奇異值分解：
H(k-1)＝UΓ2VT
式中：Γ為奇異值矩陣；U和V為酉陣；Γ維數為100×100。
(3)設定初始截斷階數ntj為2，對奇異值矩陣Γ進行截斷，利用截斷的奇異值矩陣Γ并通過特征系統實現方法求出特征頻率fi，阻尼比ζi，特征向量(模態)
(4)重復步驟(3)，令奇異值矩陣Γ的截斷階數ntj＝ntj+2，求出不同截斷階數所對應的特征頻率fi、阻尼比ζi、特征向量(模態)
(5)根據建筑結構工程需要，設定此實例的特征頻率誤差限值為0.01、阻尼比誤差限值為0.05、MAC與1差值絕對值的限值為0.02，將滿足這三個誤差限值的頻率點作為穩定點，其頻率值及所對應的截斷階數作為穩定圖中橫縱坐標；
(6)重復步驟(4)，得到一系列穩定點，最終在穩定圖中畫出不同截斷階數ntj所對應的特征頻率點；
(7)在穩定圖中穩定點豎向排成一個豎直線，則所對應的頻率點為所關心的頻率，并記所關心的頻率個數為截斷階數nt＝8；
(8)如步驟(1)和步驟(2)，令k＝k+1，構造新的Hankel矩陣HIJ(k-1)，并進行奇異值分解；
(9)對奇異值矩陣Γ進行截斷，截斷階數為nt＝8，通過特征系統實現方法求出特征頻率fi，阻尼比ζi，特征向量(模態)
(10)重復步驟(8)和步驟(9)，得到不同k對應的頻率fi。并將k作為縱坐標，fi作為橫坐標繪于同一幅圖中形成數據移動穩定圖；
(11)通過數據移動穩定圖，查看頻率fi是否隨著k的增大而產生劇烈的變化。若發現前6階的頻率隨著k的增大，所對應頻率fi基本呈現豎直，說明頻率變化很小，可認為前6階頻率為穩定頻率，所對應模態為真實模態；而第7、8階模態隨著k的增大，所對應頻率fi連接成類似拋物線的曲線，頻率變化劇烈，說明該頻率與所對應模態受到了環境的干擾，而所對應的模態參數為虛假模態，從而判別了虛假模態為第7、8兩階，真實模態為識別的第1階到第6階。