基于数据驱动和物理模型的结构地震损伤识别方法研究

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1、国内图书分类号：TU311.3学校代码：10213国际图书分类号：624密级：公开工学博士学位论文基于数据驱动和物理模型的结构地震损伤识别方法研究博士研究生：陶冬旺导师：李惠教授申请学位：工学博士学科：防灾减灾工程及防护工程所在单位：土木工程学院答辩日期：2013年10月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TU311.3U.D.C.:624DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringDATA-DRIVEN-BASEDANDMODEL-BASEDAPPROACHESFORSTRU

2、CTURALSEISMICDAMAGEDETECTIONCandidate：TaoDongwangSupervisor：Prof.LiHuiAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：DisasterPreventionandReductionEngineeringandProtectiveEngineeringAffiliation：SchoolofCivilEngineeringDateofDefence：October,2013Degree-Conferring-Instit

3、ution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要近年来世界频繁发生大地震并造成了巨大的经济损失、人员伤亡及社会影响，这是因为一方面人们对地震地面运动的特征认识不足，另一方面是人们还无法准确把握工程结构在真实地震作用下的地震损伤机理和破坏机制。近30年发展起来的结构健康监测系统通过布设传感器获取原型结构在真实服役环境及荷载作用下的实际响应，实时地诊断结构的损伤并及时地发出预警警报，是当前研究和揭示工程结构在真实地震作用下结构地震响应、损伤机理和破坏机制的最直接、最有效的手段。传统的基于振动信号的结构损伤识别方法一般认为结构

4、损伤前后都是线性的，由于强地震地面运动的非平稳性使得工程结构在强地震作用下表征明显的非线性行为，如混凝土裂缝的张开与闭合，钢筋或钢材的屈服或屈曲等，这使得传统的结构损伤识别方法并不直接适合识别结构的地震损伤。因此迫切需要重新审视地震地面运动的非平稳特性，发展利用结构地震作用下非线性特征和非线性系统识别方法的结构地震损伤识别方法和损伤评估方法。为此，本文研究地震地面运动时频能量分布、以及基于数据驱动提取非线性特征的结构地震损伤识别方法和基于物理模型识别非线性系统的结构地震损伤识别方法。主要研究内容如下：研究基于匹配追踪分解算法和时频能量分布的地震地

5、面运动生成方法。首先介绍匹配追踪分解算法的基本原理；然后构造具有相同峰值加速度和傅里叶幅度谱的简单人工地震地面运动，比较它们时频能量分布的差异以及时频能量分布对线性结构最大弹性位移的影响，进一步定义时频原子幅度、循环特征、滞后相位角和有效能量，分析地震地面运动有效能量与最大弹性位移的相关性；最后分析人工地震地面运动时频能量分布对弹塑性结构响应的影响规律，通过时频能量分布解释非线性结构地震响应的动态棘轮效应。研究基于层间位移时频特征分形维数的剪切型结构地震损伤识别方法。首先定义时频特征并采用分形维数定量刻画；然后结合模态叠加原理推导线性结构各自由度

6、处时频特征分形维数的性质，结合子结构方法得到非线性结构各子结构时频特征分形维数的性质；最后以10层剪切型结构为数值仿真对象，模拟结构在单层损伤和多层损伤，不同损伤程度，近场地震动和远场地震动、不同噪声水平下的识别效果，并讨论不同阻尼比和采用层间加速度对识别结果的影响。研究基于位移信号时频特征分形维数的框架型结构地震损伤方法。首先结合静态缩聚法、模态叠加原理推导线性框架型结构各主自由度处时频特征分形维数的性质；然后对于梁、柱端产生塑性铰的非线性框架型结构，研究拟力法推导塑-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文性铰到非弹性位移的转换矩阵并得到各主自由度

7、的时频特征分形维数的性质，对于局部安装非线性构件如阻尼器的非线性框架型结构，研究逆反路径法分析局部非线性对结构相对位移的影响并得到各主自由度的时频特征分形维数的性质。其次通过16层框架型结构数值算例验证结构单层和多层梁、柱出现塑性铰时的时频特征分形维数的识别方法；最后通过安装了摩擦阻尼器（模拟结构体系的局部非线性）的16层钢框架型结构振动台试验验证所提方法。研究基于扩展Kalman和无迹Kalman滤波相结合的结构地震损伤分散识别方法。首先介绍经典Kalman滤波，扩展Kalman滤波和无迹Kalman滤波的基本原理；然后研究分别用扩展Kalma

8、n滤波和无迹Kalman滤波识别线性和非线性子结构的扩展状态。其次以10自由度剪切型结构为数值仿真对象，模拟结构在单层损伤和多层损伤下的