框架结构模态辨识及损伤诊断方法的改进与应用

摘要

工程结构的模态参数辨识及损伤诊断是结构健康监测的核心技术与理论基础。结构的地震损伤可以通过结构物理参数及动力特性的变化来估计,这样就可用模态参数辨识方法来评估结构的地震损伤。结构地震损伤评估为震后结构的安全性评定及加固修复提供理论依据,具有较重要的工程实用价值。本文首先提出了结构模态参数辨识与损伤诊断的方法,进而对结构地震损伤进行评估,主要研究内容归纳如下:
　　①简要介绍了相关的研究背景和意义,对结构模态参数辨识方法、结构损伤诊断方法及地震损伤评估方法的国内外研究现状进行了阐述。
　　②针对经验模式分解存在的缺点,提出了将数字滤波器和经验模式分解结合的ARMA法、SRCE法、STD法,针对四层钢框架试验模型、BHM Benchmark试验模型和仿真模型进行了模态参数辨识。辨识结果表明,所提方法能有效分离密集模态,避免了单独使用经验模式分解可能出现的模态混叠问题,免除了ARMA法、SRCE法、STD法定阶问题的困扰。进一步与随机子空间法的模态参数辨识结果进行了对比。
　　③结合模态应变能变化率指标法和直接解析法的优点,提出了一种新的两阶段损伤诊断方法:第一阶段使用模态应变能变化率指标进行损伤定位,第二阶段使用直接解析法对损伤单元进行损伤定量。数值分析结果表明:所提方法不仅大大降低了直接解析法损伤未知量的求解数目,而且大大降低了损伤识别所需的模态阶数,仅需结构的低阶模态就能准确地进行损伤诊断,这样在理论上更加接近于工程实用。
　　④通过计算结构地震损伤前后模态参数的变化量,并建立这种变化与结构损伤状态参数的关系,提出了一种实用的结构地震损伤评估方法。利用IDARC对五层钢筋混凝土框架结构进行地震反应分析,绘出结构各层的损伤指数时程曲线来对结构地震响应进行分段,运用随机子空间方法识别出完好状态和破坏状态下的模态参数。通过改变输入地震动的加速度峰值来获得结构在不同损伤程度下的模态参数,从而建立结构整体损伤指数与模态参数变化的关系,并拟合了经验公式。这样就可以由模态参数变化得到的结构整体损伤指数来评估结构的地震损伤状态。