基于EKF的风荷载与结构参数复合反演研究

摘要

结构在强风、地震等高强荷载作用下或长时间服役后可能出现损伤，因此，同步识别结构的物理参数及外部荷载成为结构健康监测的重要问题之一。本文在系统总结国内外关于结构参数和外荷载复合反演方法的基础上，重点研究基于EKF（Extended Kalman Filter）的风荷载与结构参数复合反演方法。本文研究的具体内容主要分为以下几个部分：
　　提出了基于EKF及风荷载空间相关性的结构物理参数和风荷载复合反演方法。基于AR（Auto Regressive）模型进行高层建筑风荷载的时程模拟，在得到各层风荷载数值的前提下，利用风荷载空间相关性接近于1的条件，将相邻数层风荷载看作相同荷载输入，减小未知荷载数目，实现已知响应数远大于未知荷载数，然后基于EFK算法以建筑结构各层加速度为观测量复合反演出结构参数和风荷载。同时，讨论了脉动风相关性假定和参数初值对复合反演的影响。
　　研究了基于EKF及测量自由度扩充的结构物理参数和风荷载复合反演方法。基于有限元方法，在简化模型中将柱质量集中到区别于楼板质点的其他质点，从而使得建筑结构的层模型细化为多质点体系模型，实现测量自由度数的扩充，同时相邻数层风荷载的相关性也得以提高，将相邻数层风荷载看作相同荷载的条件假设也就更加充分，然后基于EKF实现了自由度扩充后的结构参数和风荷载复合反演。同时讨论了测量自由度扩充数目对复合反演的影响。
　　基于EKF理论，对非线性结构的物理参数和风荷载进行了复合反演研究。基于Bouc-Wen非线性模型，讨论了Bouc-Wen中各主要参数对非线性模型滞回环形状的影响并根据使得非线性滞回环饱满的条件选取了较优参数，在对底层为 Bouc-Wen模型的建筑结构引入归一化参数后，利用Newmark-β方法进行非线性模型的响应求解。然后基于EKF以非线性结构的各层加速度响应为观测量复合反演得到风荷载及结构参数。
　　论文的三个部分围绕着基于EKF的荷载参数及风荷载复合反演算法进行阐述。针对线性和非线性结构，提出了复合反演的EKF算法，并采用了多个数值算例验证了算法的可行性，图表分析结果也呈现较高的反演精度。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 本文主要研究内容及研究方案

第2章 基于风荷载空间相关性的复合反演方法研究

2.1 引言

2.2 大气边界层风荷载时程模拟

2.3 风荷载空间相关性分析

2.4 基于EKF的风荷载与结构参数复合反演方法

2.5 数值仿真算例

2.6 脉动风相关性以及参数初值对复合反演的影响

2.7 本章小结

第3章 基于测量自由度扩充的复合反演方法研究

3.1 引言

3.2 测量自由度扩充模型

3.3 基于EKF及测量自由度扩充的风荷载与结构参数复合反演

3.4 数值仿真算例

3.5 测量自由度扩充数目对复合反演的影响

3.6 本章小结

第4章 非线性结构的复合反演方法研究

4.1 引言

4.2 Bouc-wen模型

4.3 基于EKF及Bouc-Wen模型的风荷载与结构参数复合反演

4.4 数值仿真算例

4.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢