基于强震记录的结构模态参数识别与应用研究

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1、中国地震局工程力学研究所博士学位论文基于强震记录的结构模态参数识别与应用研究姓名：公茂盛申请学位级别：博士专业：土木工程·防灾减灾工程及防护工程指导教师：谢礼立20051201捅费摘要结构强震反应观测是地震工程学的基础，是人们了解工程结构在地震作用下的反应及破坏过程、检验现有抗震设计理论与方法的主要手段之～。近几年，随着各国政府和地震工程界对结构强震反应观测的重视，结构反应观测台阵有了长足的发展。在我国，随着“十五”数字强震观测台网的建设，更多的高层建筑和重大建筑物布设了强震观测台阵。这些台阵一旦在强烈地震中获

2、得反应记录，除了用于工程抗震研究外，还可以用来对结构模态参数进行识别，从而为震后结构健康诊断或震后安全评估提供基础依据。地震作用下结构模态参数的识别与破坏识别问题，也是世界地震工程领域备受关注的问题。本文就对基于结构地震反应记录的结构模态参数识别与应用问题进行了系统深入的研究。本文的主要研究内容摘要如下：1．结构强震反应记录HHT分析详细介绍了一种先进的非平稳信号处理方法--HHT(希尔伯特一黄变换)的意义及算法，针对该方法的具体算法，编制了一套计算程序。然后介绍一座7层钢筋混凝土建筑的概况和在几次地震中的地震

3、反应记录和破坏情况，选择了3次主要的、有代表性地震的反应记录，利用HHT这一先进的数据处理方法，分析了该7层钢筋混凝土建筑物在3次地震中的地震反应记录。给出了幅值一频率一时问的三维分布关系，同时将得到的边际谱和FFT得到的傅立叶谱进行了对比．给出了一些有意义的结论。2．地震作用下结构系统参数识别提出了结构在小震和大震作用下模态参数的识别方法。若结构在地震作用下没有进入时变反应，整个过程都是线弹性反应，则利用整个记录来识别结构的模态参数。若结构进入了时变反应阶段，则将整个结构地震反应记录分为三段，第一段和第三段采

4、用非时变参数识别方法，分别识别结构的模态参数，作为结构破坏前和破坏后的模态参数。第二段采用递归式识别方法，得到模态参数随时间变化的关系，可以观测模态参数在地震作用过程中的变化趋势及规律，也可以得到地震过程中结构的破坏起止时刻。利用一座7层钢筋混凝土建筑物及其在4次地震中的地震反应记录，利用本文方法和所编制的程序对其模态参数进行了详细的识别研究，得到了其小震地震反应的模态参数和大震地震反应的模态参数，特别是得到了结构的模态参数随时间的变化关系，分析结果显示本文所提方法非常有效，得到的结果也合理。3．结构自振周期统

5、计分析提出了两类建筑结构基于地震反应记录的自振周期经验公式。分别选取了40座框剪结构形式的建筑物和36座钢结构形式的建筑物，利用这些建筑物在一次或多次地震中获得的地震反应记录，首先识别出了这些建筑物在完好状态时的自振周期，然后利用非线性回归，建立了框剪和钢结构这两种形式的建筑物基于地震反应记录的自振周期经验公式，并建议了这两种形式结构物简单的自振周期经验公式，可供规范的修订和结构抗震设计或研究时参考使用。4．地震作用下结构扭转参数识别提出了地震作用下结构扭转反应的分离方法和模态参数识别方法。成功分离了结构在地震

6、作用下水平和扭转运动，并由水平地震反应记录求出了结构的扭转反应，根据求出的结构扭转反应，识别了结构的非时变和时变扭转模态参数。利用一座7层钢筋混凝土建筑物及其地震反应记录，对其扭转模态参数进行了识别，验证了方法的正确性，同时指出了该方法存在的问题。5．地震作用下结构破坏识别研究基于结构有限元模型分析结果，研究了不同破坏水平下的结构模态参数的变化，建立了结构地震破坏指数和模态频率变化以及振型变化之间的关系，提出了利用模态频率和振型变化预测结构地震破坏指数的经验公式，一旦某个建筑物在地震中获得了地震反应记录，就可以

7、利用该方法对该建筑物的破坏状态做出较好的判断。因为该方法利用一次地震反应记录结果就可以同时识别出结构破坏前和破坏后的模态参数，所以不需要事先了解结构完好状态时的模态参数。关键词：强震记录；系统辨识；模态参数识别；自振周期经验公式；希尔伯特一黄变换；破坏识别；地震扭转反应；模态频率；振型；破坏指数ABSTRACTThestmcturaleanhquakeresponseobservationisthefoundationoftheearthquakeengineering．ThestructuralreSl：}o

8、nseanddamageprocessunderearthquakeexcitationaremainlybeunderstoodbythiskindofobservation．Theseismicdesigntheoriesandmethodsofstructuresarealsobeexaminedbv也es仃uctLlralearthquakeresponseobservatio