非平稳环境激励下剪切型框架结构损伤识别方法研究

摘要

土木工程结构服役期间，可能因地震、台风和周边爆破等突发事件而遭受损伤，使得结构的安全性随之降低，及时进行工程结构安全状态评估是保障使用者生命和财产安全的基础。近年来，基于振动的结构损伤识别已逐步成为土木工程学科一个重要的研究方向，但受到结构类型众多、人工激励困难、环境激励成分复杂等诸多因素的制约，很难找到某一种损伤识别方法能够在不同类型的土木工程结构中通用，因此针对不同类型的工程结构开展深入的研究工作，使土木工程结构的损伤识别能够从理论研究走向工程应用实际，是目前该领域的主要发展方向。作为一种典型的工程结构形式，剪切型框架结构在住宅、学校、办公楼和医院等人员密集的建筑中得到广泛的应用，研究适用于剪切型框架结构的损伤定位和定量识别方法，为突发事件后框架结构的安全状态评估和维修提供依据，具有重要意义。
　　本文以我国量大面广的剪切型框架结构为对象，研究利用地脉动等自然环境激励进行损伤定位和定量识别的方法，所进行的主要工作如下：
　　①剪切型框架结构损伤定位和定量识别方法研究
　　提出了根据模态固有频率和振型比构造的层间损伤系数进行损伤定位和定量识别新方法。该方法的特点在于只需获得结构损伤前任意两阶模态固有频率和振型比，以及损伤后任意一阶模态固有频率和振型比即可同时实现结构损伤定位和定量的识别，且损伤前后的模态阶次选取无需匹配，实用性强。该方法直接以剪切型框架结构损伤前后的层间刚度变化率（文中定义为层间损伤系数）作为损伤指标，物理意义明确，可同时实现损伤定位和定量的识别；推导了结构层间损伤系数与结构损伤前后模态固有频率、振型比之间的关系，建立了层间损伤系数方程组，并给出了基于约束最小二乘法的方程组求解方法。
　　②自然环境激励下结构模态固有频率和振型比提取方法研究
　　本文突破了现有方法必须将自然环境激励假定为白噪声或平稳随机过程的限制，提出了适用于非平稳环境激励的固有频率和振型比识别方法。该方法在理论上将传统的随机减量法从处理白噪声信号扩展到处理非平稳信号，能够从非平稳结构动力响应中提取出包含噪声的自由振动曲线，结合奇异值降噪算法和特征系统实现算法，实现了通过非平稳自然环境激励下结构加速度响应提取结构的模态固有频率和振型比。
　　③不确定性因素影响的处理方法研究
　　外部激励、环境因素、测试噪声和计算误差等都是随机的，因此根据自然环境激励所得到的损伤识别结果也具有不确定性。本文将优化算法与区间理论相结合，建立了损伤指标的区间模型，提出了基于区间模型的损伤定位和定量识别算法。提出方法避免了现有基于概率理论的识别方法需要大量测试数据建立损伤指标概率模型的困难，实现了仅利用小样本数据即可处理不确定性因素对损伤部位和损伤程度识别的影响。
　　④实验室结构验证
　　进行了四层平面钢框架模型试验研究。试验采用不同地震动记录作为输入、考虑随机测试噪声和计算误差等不确定性因素，以单楼层和多楼层框架柱发生不同损伤工况时的损伤定位和定量识别作为考察对象。试验结果表明，本文提出的非平稳环境激励下剪切型框架结构不确定性损伤识别方法能有效地处理非平稳激励和不确定性因素影响，可以实现在地震动激励下对剪切型框架结构的楼层损伤进行定位和定量识别。

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主要符号

1 绪 论

1.1 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 存在的问题

1.4 本文的研究内容

2 剪切型框架结构损伤定位和定量动力识别方法的建立

2.1 引言

2.2 结构损伤指标

2.3 结构损伤方程组的建立

2.4 结构损伤方程组的求解

2.5 剪切型框架结构损伤动力识别方法的具体步骤

2.6 算例验证

2.7 本章小结

3 非平稳激励下结构模态固有频率和振型比提取方法研究

3.1 引言

3.2 非平稳随机激励的统计特性研究

3.3 基于扩展随机减量法的模态固有频率和振型比识别

3.4 非平稳激励下模态固有频率和振型比识别方法的具体步骤

3.5 算例分析

3.6 本章小结

4 不确定性因素影响的处理方法研究

4.1 引言

4.2 小样本情况下结构状态特征量样本均值的不确定性量化

4.3 基于区间分析的损伤指标的不确定性量化

4.4 不确定性因素影响的损伤定位和定量方法

4.5 算例分析

4.6 本章小结

5 本文方法的试验验证

5.1 引言

5.2 试验室四层钢框架模型和动力响应测试

5.3 结果分析

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要研究工作及结论

6.2 主要创新点

6.3 进一步研究展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表、录用的论文

B. 在攻读学位期间参加的科研项目及获奖