基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和物理模型的結(jié)構(gòu)地震損傷識(shí)別方法研究.pdf

1、近年來(lái)世界頻繁發(fā)生大地震并造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡及社會(huì)影響,這是因?yàn)橐环矫嫒藗儗?duì)地震地面運(yùn)動(dòng)的特征認(rèn)識(shí)不足,另一方面是人們還無(wú)法準(zhǔn)確把握工程結(jié)構(gòu)在真實(shí)地震作用下的地震損傷機(jī)理和破壞機(jī)制。近30年發(fā)展起來(lái)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)布設(shè)傳感器獲取原型結(jié)構(gòu)在真實(shí)服役環(huán)境及荷載作用下的實(shí)際響應(yīng),實(shí)時(shí)地診斷結(jié)構(gòu)的損傷并及時(shí)地發(fā)出預(yù)警警報(bào),是當(dāng)前研究和揭示工程結(jié)構(gòu)在真實(shí)地震作用下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)、損傷機(jī)理和破壞機(jī)制的最直接、最有效的手段。傳統(tǒng)的基于

2、振動(dòng)信號(hào)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法一般認(rèn)為結(jié)構(gòu)損傷前后都是線性的,由于強(qiáng)地震地面運(yùn)動(dòng)的非平穩(wěn)性使得工程結(jié)構(gòu)在強(qiáng)地震作用下表征明顯的非線性行為,如混凝土裂縫的張開(kāi)與閉合,鋼筋或鋼材的屈服或屈曲等,這使得傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法并不直接適合識(shí)別結(jié)構(gòu)的地震損傷。因此迫切需要重新審視地震地面運(yùn)動(dòng)的非平穩(wěn)特性,發(fā)展利用結(jié)構(gòu)地震作用下非線性特征和非線性系統(tǒng)識(shí)別方法的結(jié)構(gòu)地震損傷識(shí)別方法和損傷評(píng)估方法。為此,本文研究地震地面運(yùn)動(dòng)時(shí)頻能量分布、以及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)提

3、取非線性特征的結(jié)構(gòu)地震損傷識(shí)別方法和基于物理模型識(shí)別非線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)地震損傷識(shí)別方法。主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　研究基于匹配追蹤分解算法和時(shí)頻能量分布的地震地面運(yùn)動(dòng)生成方法。首先介紹匹配追蹤分解算法的基本原理;然后構(gòu)造具有相同峰值加速度和傅里葉幅度譜的簡(jiǎn)單人工地震地面運(yùn)動(dòng),比較它們時(shí)頻能量分布的差異以及時(shí)頻能量分布對(duì)線性結(jié)構(gòu)最大彈性位移的影響,進(jìn)一步定義時(shí)頻原子幅度、循環(huán)特征、滯后相位角和有效能量,分析地震地面運(yùn)動(dòng)有效能量與最大彈性

4、位移的相關(guān)性;最后分析人工地震地面運(yùn)動(dòng)時(shí)頻能量分布對(duì)彈塑性結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響規(guī)律,通過(guò)時(shí)頻能量分布解釋非線性結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的動(dòng)態(tài)棘輪效應(yīng)。
　　研究基于層間位移時(shí)頻特征分形維數(shù)的剪切型結(jié)構(gòu)地震損傷識(shí)別方法。首先定義時(shí)頻特征并采用分形維數(shù)定量刻畫(huà);然后結(jié)合模態(tài)疊加原理推導(dǎo)線性結(jié)構(gòu)各自由度處時(shí)頻特征分形維數(shù)的性質(zhì),結(jié)合子結(jié)構(gòu)方法得到非線性結(jié)構(gòu)各子結(jié)構(gòu)時(shí)頻特征分形維數(shù)的性質(zhì);最后以10層剪切型結(jié)構(gòu)為數(shù)值仿真對(duì)象,模擬結(jié)構(gòu)在單層損傷和多層損傷,

5、不同損傷程度,近場(chǎng)地震動(dòng)和遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)、不同噪聲水平下的識(shí)別效果,并討論不同阻尼比和采用層間加速度對(duì)識(shí)別結(jié)果的影響。
　　研究基于位移信號(hào)時(shí)頻特征分形維數(shù)的框架型結(jié)構(gòu)地震損傷方法。首先結(jié)合靜態(tài)縮聚法、模態(tài)疊加原理推導(dǎo)線性框架型結(jié)構(gòu)各主自由度處時(shí)頻特征分形維數(shù)的性質(zhì);然后對(duì)于梁、柱端產(chǎn)生塑性鉸的非線性框架型結(jié)構(gòu),研究擬力法推導(dǎo)塑性鉸到非彈性位移的轉(zhuǎn)換矩陣并得到各主自由度的時(shí)頻特征分形維數(shù)的性質(zhì),對(duì)于局部安裝非線性構(gòu)件如阻尼器的非線性框

6、架型結(jié)構(gòu),研究逆反路徑法分析局部非線性對(duì)結(jié)構(gòu)相對(duì)位移的影響并得到各主自由度的時(shí)頻特征分形維數(shù)的性質(zhì)。其次通過(guò)16層框架型結(jié)構(gòu)數(shù)值算例驗(yàn)證結(jié)構(gòu)單層和多層梁、柱出現(xiàn)塑性鉸時(shí)的時(shí)頻特征分形維數(shù)的識(shí)別方法;最后通過(guò)安裝了摩擦阻尼器(模擬結(jié)構(gòu)體系的局部非線性)的16層鋼框架型結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證所提方法。
　　研究基于擴(kuò)展Kalman和無(wú)跡Kalman濾波相結(jié)合的結(jié)構(gòu)地震損傷分散識(shí)別方法。首先介紹經(jīng)典Kalman濾波,擴(kuò)展Kalman濾波和無(wú)