非线性橡胶隔震结构参数识别与损伤诊断研究

摘要

在强烈地震等重大灾害事件发生后，有能力立即对结构的安全状态包括损伤情况作出评估，将能保证工程结构设施的安全运行。因此迫切需要发展先进的损伤识别技术，利用事件中的响应数据，如地震响应数据，对结构的功能或损伤状态作出在线或近乎在线的快速评估，这也是结构健康监测系统的关键环节之一。基于结构振动信号的结构参数识别和损伤追踪技术已成为当前国内外研究热点。到目前为止，尽管损伤识别方法已经取得了很大的进展，但是能实际应用于结构健康监测系统的有效损伤识别方法仍然有待进一步发展。
　　 目前，高阻尼橡胶支座隔震系统已经在建筑和桥梁上得到了应用，鉴于他们能显著地减弱结构在遭受地震及其它动载荷的响应，这些基础隔震系统今后将会得到越来越广泛的应用，为保证基础隔震系统的完整性和安全性，需要发展与之相匹配的结构健康监测系统。橡胶隔震支座健康监测系统所面临的一个挑战性问题是其迟滞非线性动力学特性。
　　 本文首先针对工程结构隔震中使用的GZN110型橡胶隔震支座进行了试验研究，并使用该隔震支座建立了橡胶隔震结构实验模型，在实验中采用了一套刚度元件装置，该装置可以在线实现模型刚度的突然变化，在实验过程中在线模拟结构损伤的的发生；其次，对当前结构参数识别中较为有效的两种时域方法：卡尔曼滤波(EKF)方法和序贯非线性最小二乘(SNLSE)进行了研究，提出了基于最优化方法的自适应追踪技术，近乎在线的识别橡胶隔震支座和橡胶隔震结构的系统参数，并追踪隔震结构参数的变化，从而判断结构损伤的发生，包括损伤发生的时间、部位和损伤程度。本文的主要研究内容和取得的成果有：
　　 (1)提出了本文研究模型的选择标准，采用Bouc-Wen迟滞非线性模型对橡胶隔震支座的迟滞特性进行建模。分析了Bouc-Wen迟滞模型非线性参数的灵敏度，得到了在不同大小激励下迟滞模型非线性参数的排序，在此基础上，进一步分析了非线性参数变化对滞回曲线的影响，并对工程中使用的GZN110型橡胶隔震支座进行了力学性能测试试验，分析了不同激励频率、不同大小加载及不同大小位移下，隔震支座的力--位移曲线变化情况，最后综合Bouc-Wen迟滞模型参数灵敏度分析，以及参数变化对模型迟滞特性的影响，并结合橡胶隔震支座力学性能试验对Bouc-Wen模型进行简化，确定Bouc-Wen模型参数个数，建立橡胶隔震支座迟滞非线性模型。
　　 (2)对广义卡尔曼滤波(EKF)方法进行了研究，提出一种基于最优化方法的自适应追踪技术，近乎在线识别结构损伤的发生，包括损伤位置和程度。首先基于EKF方法，建立约束非线性最优化方法中的目标函数和约束方程，推导了白适应卡尔曼滤波方法。然后。进行了数值仿真研究验证所提方法的有效性和准确性。
　　 (3)建立橡胶隔震层实验模型，采用EKF方法对隔震层迟滞模型进行在线参数识别研究，在实验过程中分别考虑含不同参数个数的Bouc-Wen迟滞模型，以及不同大小的地震波激励，识别得到的参数值与有限元值及已有的学者建议值一致，且识别得到的位移值与实验测量值吻合良好；建立了橡胶隔震结构实验模型，实验过程中采用一套刚度元件装置在线模拟结构的损伤，采用本文提出的AEKF方法在线识别隔震结构参数，追踪上部结构的刚度变化，识别结构损伤的发生，位置和损伤程度。实验结果表明AEKF方法能准确识别隔震结构参数，并追踪结构的损伤，识别得到的参数值与有限元值一致，识别得到位移与实验测量值吻合良好。证明了该方法在橡胶隔震结构参数识别和损伤诊断中的有效性和准确性。
　　 (4)推导了基于遗传优化算法的自适应序贯非线性最小二乘(ASNLSE)方法，首先对该方法进行了迟滞非线性结构和基础隔震结构数值仿真研究，仿真结果证明了ASNLSE方法在非线性结构参数参数识别和损伤追踪中的有效性和和准确性；然后对该方法进行了橡胶隔震结构损伤识别实验研究，采用不同地震波对橡胶隔震结构实验模型进行基础激励，在线识别隔震结构系统参数，并追踪上部结构的损伤，实验结果表明，ASNLSE方法能准确识别橡胶隔震结构的系统参数，并追踪结构产生的变化，判断结构损伤的发生及损伤位置和损伤程度。