建筑結構損傷識別方法的研究

1、建筑結構損傷識別方法的研究 結構特征響應信息是指結構在結構地脈動隨機激勵下，動力響應的部分信息，是在某種激勵下可以實現(xiàn)的一個響應。因此，根據(jù)結構特征響應信息同樣可以進行結構系統(tǒng)的動力識別。數(shù)值仿真計算表明，結構固有頻率附近的地脈動信號具有較高的信噪比，通過結構特征響應信息提取技術獲取該頻段的響應信號并進行識別，能顯著提高結構剛度參數(shù)的識別精度。 【摘要】建筑結構動力能量損傷識別是當前土木工程領域一個前沿研究課題，與高效率、高精度的信號采集和分析儀器相結合，基于動力測試的系統(tǒng)識別技術正逐步成為工程結構健康檢測的重要手段。由于測試儀器和技術的原因，實際工程中一般難以獲得結構樓層的轉角信息，這是短期

2、內難以解決的問題。國內外學者通過對傳統(tǒng)的損傷識別方法的不斷改進，提出了未知激勵條件下的一些較為先進的損傷識別方法。如Wang等Link等。然而這些方法的數(shù)學推導和計算都相對比較復雜。本文結合擴展卡爾曼濾波算法及遞推最小二乘算法，推導出一種新的結構分析和計算都更加直觀、更加簡潔的方法進行輸入未知與輸出部分觀測情況下的結構損傷識別，并且能基于子結構的思想，對復雜結構進行局部損傷定位和識別。本章從實用的角度出發(fā)，在頻域法中提出了基于結構頻率能量特征的“能量一損傷”的損傷診斷法，利用噪聲的隨機性進行建筑結構損傷分析；在時域法研究中，對剪切結構模型的時域參數(shù)識別的一些關鍵問題進行了研究。1“能量損傷”的

3、理論依據(jù)當建筑結構出現(xiàn)損傷或稱系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，其傳遞函數(shù)將會改變，不同頻率的幅頻特性和相頻特性將會有不同程度的改變。在實際結構損傷識別中，考慮到結構的復雜性和高昂的費用，測試結構輸入和輸出的傳感器數(shù)量是有限的，因此，本文提出采用卡爾曼濾波方法和最小二乘估計，在簡化的結構模型基礎上，以盡可能少的傳感器獲得響應來進行結構損傷的初步定位。此即為第1階段的損傷識別，第2階段集中對發(fā)生損傷的結構部分進行定位和精確識別。利用有限元模型，取出可能存在損傷的了結構部分，得子結構部分的運動方程如下:F(mf)=tf（nt）e-j2mfnt當用一個含有豐富頻率成分的信號作為輸入對系統(tǒng)的激勵時，由于系統(tǒng)特性變化對各

4、頻率成分的抑制和增強作用發(fā)生改變，通常，它會明顯地對某些頻率成分起到抑制作用，而另外一些頻率成分起著增強作用。因此，其輸出與正常系統(tǒng)相比，相同頻帶內信號的能量會有較大的差別，它使某些頻帶內信號能量減小，而使另外一些頻帶內的信號能量增大。因此，在各頻率成份信號的能量中，包含著豐富的建筑結構損傷信息，某些或某幾種頻率成份能量的改變即代表了一種損傷情況。對于房屋結構而言，在隨機激勵作用下，結構的動力響應同樣具有隨機信號特征。測試的信號中包既含有結構參數(shù)信息，也包含隨機噪聲信號，通過隨機信號分析，提取結構特征信息，達到建筑結構損傷識別的目的。2“能量損傷”參數(shù)識別方法的算法從以上分析可知，輸出信號的各

5、頻率成份能量的變化表征了結構剛度降低的信息，基于這一點，本文提出了基于“能量一損傷”的參數(shù)識別方法，該方法可以通過改變剛度的試驗方法獲得各頻率成份能量的變化來診斷損傷，或通過結構有限元模型數(shù)值模擬得到各頻率成份能量變化進行建筑結構損傷識別。確定正常和各種損傷狀態(tài)下，特征向量的特征值及容差范圍。特征值和容差范圍的確定可以通過機理分析求得，同時，也可以通過實驗統(tǒng)計的方法確定。機理分析的方法要基于系統(tǒng)模型，實驗統(tǒng)計方法不依賴系統(tǒng)的數(shù)學模型。但對于實際工程結構，我們無法進行損傷統(tǒng)計實驗，一般只能通過機理分析獲得相關特征向量。此處以得出相關向量的方程為：A(mf)=3建筑結構物理參數(shù)的頻域識別法基于模態(tài)

6、轉換理論的結構理參數(shù)的識別方法，是指利用實測的模態(tài)參數(shù)，通過求解結構動力學特征值的反問題識別結構物理參數(shù)的方法。識別準則是:結構模型所計算的結構模態(tài)與實測結構模態(tài)一致。在時域法中也可分為結構模態(tài)參數(shù)的時域識別和結構物理參數(shù)的時域識別。結構模態(tài)參數(shù)的時域識別法是指時間域內識別結構模態(tài)參數(shù)的方法。時域法所采用的是結構反應的時間歷程，主要為結構的自由振動反應，有的也采用結構的脈沖反應和強迫振動反應。目前提出的結構模態(tài)參數(shù)時域識別法主要有ITD法、STD法、Prony法、隨機減量法和ARMA模型法等。結構物理參數(shù)的時域識別根據(jù)識別過程又可分為間接法和直接法。間接法，即先利用頻域或時域數(shù)據(jù)識別模態(tài)參數(shù)，

7、再由模態(tài)參數(shù)識別結構物理參數(shù)；直接法，則意味著直接利用結構動力反應的時程測量信息來識別結構物理參數(shù)。4結構動力學系統(tǒng)識別結構動力學系統(tǒng)識別是動力學研究的逆問題，它利用系統(tǒng)在試驗和運行中獲得的輸入和輸出數(shù)據(jù)，采用系統(tǒng)識別技術，建立反映系統(tǒng)本質動態(tài)特性的數(shù)學模型，并確定模型中的待定參數(shù)。結構動力學系統(tǒng)遵循牛頓力學基本定律，所以系統(tǒng)的理論模型往往是已知的，需要識別的只是模型中某些待定的物理參數(shù)或系統(tǒng)的動力學特性參數(shù)。系統(tǒng)內部的某些物理機制不清楚時，則需要進行理論模型或模型類的識別。此外，如果采用時序分析模型識別結構模態(tài)參數(shù)，則時序模型階的確定也屬于理論模型識別的范疇。5結語結構特征響應信息是指結構在結構地脈動隨機激勵下，動力響應的部分信息，是在某種激勵下可以實現(xiàn)的一個響應。因此，根據(jù)結構特征響應信息同樣可以進行結構系統(tǒng)的動力識別。數(shù)值仿真計算表明，結構固有頻率附近的地脈動信號具有較高的信噪比，通過結構特征響應信息提取技術獲取該頻段的響應信號并進行識別，能顯著提高結構剛度參數(shù)的識別精度。參考文獻1李國強等.工程結構動力檢測理論與應用.D.北京:科學出版社，2002.41-2792蔡金獅.動力學系統(tǒng)辨識與建模M.北京:國防工業(yè)出版社，19913川方崇智等.過程辨識M.