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

1、近年來世界頻繁發(fā)生大地震并造成了巨大的經(jīng)濟損失、人員傷亡及社會影響,這是因為一方面人們對地震地面運動的特征認識不足,另一方面是人們還無法準確把握工程結(jié)構(gòu)在真實地震作用下的地震損傷機理和破壞機制。近30年發(fā)展起來的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)通過布設(shè)傳感器獲取原型結(jié)構(gòu)在真實服役環(huán)境及荷載作用下的實際響應(yīng),實時地診斷結(jié)構(gòu)的損傷并及時地發(fā)出預(yù)警警報,是當(dāng)前研究和揭示工程結(jié)構(gòu)在真實地震作用下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)、損傷機理和破壞機制的最直接、最有效的手段。傳統(tǒng)的基于

2、振動信號的結(jié)構(gòu)損傷識別方法一般認為結(jié)構(gòu)損傷前后都是線性的,由于強地震地面運動的非平穩(wěn)性使得工程結(jié)構(gòu)在強地震作用下表征明顯的非線性行為,如混凝土裂縫的張開與閉合,鋼筋或鋼材的屈服或屈曲等,這使得傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)損傷識別方法并不直接適合識別結(jié)構(gòu)的地震損傷。因此迫切需要重新審視地震地面運動的非平穩(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)識別方法的結(jié)構(gòu)地震損傷識別方法和損傷評估方法。為此,本文研究地震地面運動時頻能量分布、以及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動提

3、取非線性特征的結(jié)構(gòu)地震損傷識別方法和基于物理模型識別非線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)地震損傷識別方法。主要研究內(nèi)容如下:
　　研究基于匹配追蹤分解算法和時頻能量分布的地震地面運動生成方法。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單人工地震地面運動,比較它們時頻能量分布的差異以及時頻能量分布對線性結(jié)構(gòu)最大彈性位移的影響,進一步定義時頻原子幅度、循環(huán)特征、滯后相位角和有效能量,分析地震地面運動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動時頻能量分布對彈塑性結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響規(guī)律,通過時頻能量分布解釋非線性結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的動態(tài)棘輪效應(yīng)。
　　研究基于層間位移時頻特征分形維數(shù)的剪切型結(jié)構(gòu)地震損傷識別方法。首先定義時頻特征并采用分形維數(shù)定量刻畫;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,近場地震動和遠場地震動、不同噪聲水平下的識別效果,并討論不同阻尼比和采用層間加速度對識別結(jié)果的影響。
　　研究基于位移信號時頻特征分形維數(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)各主自由度處時頻特征分形維數(shù)的性質(zhì);然后對于梁、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頻特征分形維數(shù)的性質(zhì),對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結(jié)構(gòu)相對位移的影響并得到各主自由度的時頻特征分形維數(shù)的性質(zhì)。其次通過16層框架型結(jié)構(gòu)數(shù)值算例驗證結(jié)構(gòu)單層和多層梁、柱出現(xiàn)塑性鉸時的時頻特征分形維數(shù)的識別方法;最后通過安裝了摩擦阻尼器(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)振動臺試驗驗證所提方法。
　　研究基于擴展Kalman和無跡Kalman濾波相結(jié)合的結(jié)構(gòu)地震損傷分散識別方法。首先介紹經(jīng)典Kalman濾波,擴展Kalman濾波和無