基于时频分析和非线性系统识别的建筑结构地震损伤识别研究

Post-earthquake building damage assessment is an important step in post-earthquake emergency relief and reconstruction. Structural health monitoring (SHM) system provides a new way for fast and reliable assessment of post-earthquake building damage. Therefore the development of seismic damage detection method based on SHM system is a key challenge at present. Due to the nonstationarity and nonlinearity of structural seismic damage, this project investigates the seismic damage detection method of building based on time-frequency analysis and nonlinear system identification. Firstly, seismic damage location method based on the non-similarity between the time-frequency features of the dynamic responses is developed, providing the basis for further division of substructures to identify the degree of seismic damage. Secondly, the nonlinear system identification method based on the extended Kalman filter (EKF) and unscented Kalman filter (UKF) is proposed, with EKF identifying the linear substructure and UKF identifying the nonlinear substructure. The degree of seismic damage is estimated using the identified models of substructures and dual-parameter damage indicator. Finally, numerical simulation, shaking table test of structural model and seismic observation of in-situ prototype structure are conducted to validate the efficacy of the methods proposed. This project will develop SHM applications in earthquake engineering, provide solid and reliable basis for post-earthquake emergency relief and reconstruction, and have vital scientific significance and practical value.

建筑结构震后评估是震后应急救援和恢复重建的关键一环，结构健康监测系统为实现快速可靠的建筑结构震后评估提供了崭新的途径，发展基于结构健康监测系统的地震损伤识别方法是当前的关键难题。针对结构地震损伤的非平稳性和非线性，本项目开展基于时频分析和非线性系统识别的建筑结构地震损伤识别方法研究。首先，研究基于结构动力响应时频特征非相似性的地震损伤定位方法，为进一步的结构损伤程度识别提供子结构划分依据；其次，研究基于扩展卡尔曼滤波和无迹卡尔曼滤波的非线性系统识别方法，分别识别线性和非线性子结构，结合双参数损伤指标，识别结构的地震损伤程度；最后，通过数值仿真、结构模型振动台实验以及现场原型结构地震反应观测，验证本项目方法的有效性。本项目将发展结构健康监测在地震工程中的应用，为震后应急救援和恢复重建提供坚实可靠的依据，具有重要的科学意义和实用价值。

建筑结构的地震反应观测系统为地震后结构的损伤评估提供了崭新的途径，针对地震动的非平稳性和结构损伤的非线性行为，本项目系统研究了基于结构响应时频特征非相似性的结构地震损伤判定和定位方法以及基于扩展卡尔曼滤波和无迹卡尔曼滤波相结合的地震损伤程度识别方法，取得了如下研究成果：（1）发展和完善了基于结构动力反应时程的时频特征分形维数的框架型结构地震损伤识别方法，结合静力缩聚法、模态叠加原理推导了线性框架各主自由度处时频特征分形维数的性质即各水平自由度处的层间位移或相对位移时频特征分形维数相等。结合逆反路径法分析局部非线性对结构相对位移各主自由度处时频特征分形维数的性质，柱端塑性铰主要引起本层非弹性层间位移，相应的分形维数偏离其它层，且偏离程度高，梁端塑性铰主要引起本层及上一层非弹性层间位移，相应的分形维数偏离其它层，但偏离程度低；（2）提出了基于扩展Kalman滤波和无迹Kalman滤波相结合的结构地震损伤分散识别物理模型类方法，利用识别的损伤楼层位置或范围将整体结构划分为线性子结构和非线性子结构，采用扩展Kalman滤波识别线性子结构模型，采用无迹Kalman滤波识别非线性子结构模型，能有效地减少待识别扩展变量的维数，避免识别结果发散，提高识别精度；（3）建立了16层钢框架型结构OpenSEEs模型，进行了梁、柱端损伤的数值模拟研究，完成了局部安装摩擦阻尼器的16层钢框架结构振动台实验，分析了典型结构实际地震反应观测数据，数值仿真、振动台实验和现场原型识别结果验证了本研究所提方法的有效性。在本项目的支持下，协助培养毕业硕士研究生2人，共发表论文3篇，其中SCI，EI检索论文各1篇。项目的研究成果为中国地震局即将开展的地震工程野外科学实验场提供了理论和数据基础。