框架结构系统辨识的统计方法研究

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1、框架结构系统辨识的统计方法研究摘要：随着城市化进程的稳步推进，我国交通、建筑等大型土木工程建设行业得到了迅猛发展，然而受设计、施工和管理等方面因素的影响，部分工程的框架结构在运营过程中存在不同程度的缺陷，为了确保框架结构的稳定性，确保土木工程结构使用的安全性，必须对土木工程框架结构进行定期监测和状态评估。本文主要以当前我国土木工程建设现状及未来发展前景为切入点，从土木结构系统辨识统计定义、土木工程结构动力响应、土木工程结构系统辨识、随机谱激励与结构动力响应统计特征和运营桥梁结构间接辨识及统计五方面内

2、容入手，对土木工程框架结构系统辨识的统计方法进行了全方位解析，并结合实例重点探讨了土木工程结构统计过程控制及统计学习理论，旨在提高土木工程框架机构监测的准确性，为系统辨识提供可靠的参考依据。关键词：框架结构；系统辨识；统计方法引言近年来，我国土木工程建设投资不断增长，土木工程的平稳、安全运行与人民生命安全和国家财产关联密切，而框架结构系统是确保土工工程运行安全的重要基础[1]。据国家统计局相关统计结果显示，从2004年截止到2016年年底，我国建筑业总产值已由原有的2.9万亿元增长至19.36万亿元

3、，产值增幅达到了566.97%[2]。现阶段土木工程在我国国民经济发展中仍占据着较高的比重，且工程竣工后的运营、维护、损伤监测等工程项目间接费用，也占据着十分重要的经济发展地位[3]。而在土木工程运行中，框架结构的安全性直接关系到人民安全和社会稳定，一些结构物受自然灾害、设计缺陷、施工质量等方面问题影响，导致土木工程坍塌事件时有发生[4]。以伦敦千禧年大桥为例，由于设计方面存在的不合理性问题，导致桥梁在使用中发生大规模的横向晃动，最终不得不在开放3日后被迫关闭[5]。“十二五”、“十三五”时期，根据

4、我国住房和城乡建设部2016年7月颁布的《住房城乡建设事业“十三五规划纲要”》，要求全国在2020年力争完成现有城中村、城镇棚户区及危房改造工程，使城镇居民人均住房面积达到35m2[7]。与此同时，中共中央总书记习近平在党的十九大中明确指出，必须以“一带一路”建设为重点，形成东西双向互济、陆海内外联动的全新开放格局[8]。2017年10月30日，人民日报海外版以“中国高度重视一带一路并写入党章”为题，对外宣布了中央高度重视“一带一路”工程建设，坚定推进“一带一路”全球合作的决心[9]。因此探讨行之有

5、效的框架结构系统辨识的统计方法，符合国内外土木工程未来建设发展的长远规划需求，具有积极的理论意义和十分重要的工程应用价值。一、土木结构系统辨识统计定义系统指的是在特定功能对象的整体组合，其应用范围广泛，包括飞机、车辆、船舶等实体结构，也可用作对人类个体的相关描述，还可用于对经济、社会、管理等抽象实体的描述[10]。系统的数学建模主要是建立在系统本质、各变量关系之间的整体描述，及用来进行系统行为预测的数学描述。而系统辨识则是在数据输入和输出的基础上，几何设定模型，确立与所检测系统拟合度最好的模型[11

6、]。经有关学者补充后发现，系统辨识主要包括模型、数据、准则三项要素，其中数据为辨识的基础，准则为辨识的最优目[12]标。土木工程中的系统主要指代结构简化力学整体模型，也是结构体系的组成部分，其单个结构包括钻井平台、桥梁结构、建筑结构等构成要素，同时也能够以耦合结构出现，例如桥梁-车辆体系。一、土木工程结构动力响应土木工程结构动力响应主要包括试验模型、有限元模型、模态特性等内容。①试验框架模型主要采用850×500×25(单位：mm)的3块钢板，四根等截面(面积9.5×75；单位：mm)的框架柱构成，

7、单层楼质量231kg，框架柱刚才预设弹性模量200GPa，设置屈服强度435MPa。经尺寸计算后得到1~3层的曾建刚度依此为4.84×105，5.74×105，5.95×105(单位：N/m)。②根据框架预设试验模型，在此基础上课建立相应的有限元数值模型，柱节点单元分别对应不同的工况，然后结合工况对层柱底部横截面尺寸进行相应的消减。③在进行框架频率实测和有限元计算时发现，实测与计算频率之间的误差通常＜5%，误差最大不得＞10%，同时在模态特性方面必须充分考虑试验模型与计算模型之间相关联的边界条件、测

8、试系统、材料属性等方面存在的误差因素，并经过振型、频率比较后，促使数值模型可有效反映实际模型的大致动力特性[13]。二、土木工程结构系统辨识在框架、运营桥梁等大型土木工程结构中，其各自具备独特的特征，因此在进行损伤和健康监测系统辨识时必须各有侧重。框架结构土木工程系统相对简单，在进行初步辨识时必须将重点放在不同工况下，各个结构参数实际特征的辨识，隶属一般损伤辨识范畴。而运营桥梁结构等较为复杂的耦合体系，在进行运行时通常需要承载行车运行时产生的荷载，因此需要对运行信息(