结构实时损伤识别与半主动控制系统集成方法研究

High-strength external excitations such as severe earthquakes and strong winds may cause excessive vibration or even structural damage on building structures. When a building structure requires both vibration control system and damage detection system, integrating the two systems together will be cost-effective and beneficial for creating a smart building structure. This project is to integrate real-time structural damage detection system and semi-active control system together for a building structure under unknown excitations, through theoretical analysis, numerical simulation, and experimental tests. Firstly, a method that can simultaneously identify unknown excitations and time-varying structural parameters will be proposed, and the damage development process will be further dynamically tracked based on it. Secondly, this project will focus on investigating structural vibration semi-active control method based on magneto-rheological damper. Thirdly, this project will build an integrated system of real-time structural damage detection and semi-active control which can realize real-time data and hardware sharing, and analyze the interaction effect between the two parts after system integration in depth. Moreover, considering economy effects, the number and the placement of sensors for integrated system were optimized according to the characteristic of multipurpose. Finally, the feasibility and effectiveness of the proposed integrated system are demonstrated through experimental tests. The achievement of this project has significant theoretic and real application values for damage detection, safety evaluation, vibration control and dynamic based failure mechanism study of building structures.

建筑结构在地震、强风等高强外荷载作用下可能产生过度振动甚至发生损伤，当结构需要同时安装振动控制系统及损伤识别系统时，将这两套系统进行集成处理将会更加经济、有效，而且有利于进一步发展结构智能化。本项目将从理论分析、数值模拟和试验研究三个方面，重点研究未知激励作用下房屋结构实时损伤识别与半主动控制的系统集成方法。首先，研究结构时变参数及未知激励的同步实时识别方法，并基于该方法动态追踪结构损伤发生的过程。其次，研究基于磁流变阻尼器的结构振动半主动控制方法。接着，构建数据实时共享并共用硬件的结构实时损伤识别与半主动控制集成系统，并深入剖析系统集成后两个部分之间的相互影响。然后，考虑经济性，并针对集成系统的多用途特点，对集成系统的传感器数量及安装位置进行优化。最后，通过试验验证该集成系统的可行性及有效性。项目成果对建筑结构的损伤诊断、安全评估、振动控制及灾变机理研究具有重要的理论意义与工程实用价值。

结构遭遇极端恶劣条件或者在长时间服务后，可能发生结构主体强烈振动或局部损伤。在实际工程应用中，由于测量技术及经济条件的局限，很难对结构所承受的所有外部荷载进行准确测量。当工程结构同时需要安装结构振动控制系统和结构损伤识别系统时，将这两套系统进行集成处理是非常有益的。.本项目从数据分析、数值模拟和试验研究三个方面，重点研究水平荷载作用下房屋结构时变参数在线识别与半主动控制的系统集成方法。基于AR方法进行了高层风荷载的模拟，从数据分析的角度分析的角度分析相邻数层的风荷载空间相关性，出了基于EKF及风荷载空间相关性的风荷载与结构参数同步识别方法。设计制作了压电半主动摩擦阻尼器，针对此阻尼器建立半主动控制系统，分析了其在地震激励下的动力学运动方程。提出了一种结构振动控制与健康监测系统集成时域方法，以在未知激励作用下同时控制结构振动并识别结构参数。针对振动响应灵敏度损伤识别方法，综合考虑了损伤识别过程中的三种典型确定性因素——模型误差、测量噪声和荷载误差对识别结果的不利影响，采用一种基于多重优化目标的传感器优化布置方法。设计和建造了一栋安装有磁流变阻尼器的五层剪切型结构模型，对智能结构同时实现结构损伤识别和振动控制功能的可能性进行了实验验证。.通过对结构时变参数的在线识别追踪结构损伤发生的过程，可以为进一步研究结构灾变机理，进行结构振动控制以及安全评估提供重要的基础和依据，有助于促进对结构安全评估的深入研究并指导工程设计。将结构振动控制系统和结构健康监测系统进行集成处理，有利于发展包含传感器（神经系统），处理器（大脑系统）和驱动器（肌肉系统）的智能结构，有望推动智能化结构在我国的发展，具有良好的市场前景和产业化潜力。项目成果对建筑结构的损伤诊断、安全评估、振动控制及灾变机理研究具有重要的理论意义与工程实用价值。