变换在高层框架结构地震损伤程度识别中的应用

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1、变换在高层框架结构地震损伤程度识别中的应用摘要：为了研究地震作用下高层框架结构的损伤程度信息，以结构刚度折减率为损伤程度指标，以结构的频率变化率为损伤程度识别参数，采用Matlab模拟结构在不同的损伤程度指标下的加速度响应数据，利用短时傅里叶变换方法对响应数据分析得到结构的模态参数，从而建立损伤程度指标与结构模态参数的函数关系。将损伤结构的模态参数代入函数关系式计算结构的损伤程度指标。采用同济大学振动台试验数据，利用此方法识别结构的损伤程度与振动台试验观到的损伤程度高度吻合。[KG)]关键词：短时傅里叶变换；高层框架结构；损伤程度识别；振动台试验中图分类号：P31591文献标

2、识码：A文章编号：1000-066602-0264-070引言框架结构是建筑结构的主要形式之一，高层框架结构在土木工程领域的应用越来越广泛。近年来国内外地震活动频繁，一些特大地震导致了大量的高层框架结构的损伤以及人员的伤亡，如1995年日本Kobe地震以及2014年的鲁甸地震等。由于我国是遭受地震灾害最为严重的国家之一，高层框架结构的地震损伤研究受到越来越多学者的关注。由于结构的复杂性，高层框架结构在地震作用下的损伤信号具有非平稳特性，而传统的损伤识别方法一一傅里叶变换只能识别平稳信号的损伤信息。短时傅里叶变换作为一种时频分析方法，对非平稳信号的损伤识别效果具有不可估量的价值

3、。本文以短时傅里叶变换为基础，识别某振动台试验关于12层框架结构在地震作用下的损伤程度信息，并对识别结果与振动台试验观察到的结果进行对比分析。1地震损伤程度识别原理结构的损伤必然会引起结构某一参数的变化，如固有频率、振型、频响函数、振动的加速度等。其中固有频率的变化最为直接，本文先将加速度的时域信号转换到时频域上，通过固有频率随时间的变化识别出结构的损伤信息。11基本原理结构发生损伤时，其刚度会随之降低，由频率的定义可知：[KH1]f=[KF][KF)][JY][KH1D]式中：f为频率；K为结构刚度；m为结构的质量。命k剑令1)两边同时微分，可得••[KH1]df•2[KF

4、]=dK[JY][KHl]两边同除K、dt化简得：[KH1][SX]=[SX]•[SX][JY][KH1D]式中，f值与K值相对应，均取损伤前的值，因而[SX]是一确定的常数，令kf=[SX]，PK=[SX],可得：[KH1]kf=k'•PK[JY][KH1D]式中:kf为结构频率变化率;PK为结构损伤程度指标;k'为常数。对于高层框架结构来说，只要得到结构某一层的频率变化率kf，便可以通过式求出结构的损伤程度指标PK。[BT]短时傅里叶变换是1946年由英国物理学家Gabor提出。Neild等运用STFT变换研究了某钢筋混凝土梁的非线性与损伤之间的关系。续秀忠等运用STFT

5、变换和HHT变换识别了结构的模态参数。乌建中和陶益利用STFT变换对玻璃钢板材模拟风机叶片进行损伤检测识别，取得了良好的效果。STFT变换基本原理是：假设在某固定的窗函数g内信号是平稳信号，用傅里叶变换对其进行分析得到信号的频率成分，接着沿时间轴移动窗函数g，得到信号的频率随时间的变化图。令信号seL2，则其STFT变换为：[KH1]STFT[KG-3]=[KG-3][KG-3]=[KG-3]f+oo[KG-l5/6]J-oogse-icotdt[JY][KHlD]式中：g为窗函数；S表75时域信号；co表75频率；t表示时间。与传统的傅里叶变换相比，短时傅里叶变换可以获取信

6、号的频率随时间变化的规律，其信号处理的过程如下：用窗函数g截断时域信号；对窗函数g内的信号进行傅里叶变换；沿着时间轴移动窗函数g;对新的窗函数g内信号进行傅里叶变换；重复步骤和直到所有的信号都进行了傅里叶变换，这些傅里叶变换的集合就是STFTo窗函数的选取直接影响STFT变换的时间、频率分辨率，常见的窗函数有矩形窗、汉宁窗、海明窗、布莱克曼窗、三角窗、余弦坡度窗、帕曾窗、指数窗、高斯窗等。对于地震荷载来说，指数窗和高斯窗较为适合，而相对于指数窗来说，高斯窗的主瓣更窄，频率分辨率更高。因此为了获得更高的频率分辨率，本文选取高斯窗进行分析。[BW]40卷[BG)F][BW)]