非平穩(wěn)信號(hào)處理方法的改進(jìn)及在地震工程中的應(yīng)用研究.pdf

1、自上世紀(jì)八十年代以來(lái),信號(hào)處理進(jìn)入了前所未有的快速發(fā)展期,新興的理論和方法不斷涌現(xiàn)。作為普遍的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用工具,信號(hào)處理同其他學(xué)科交叉融合的趨勢(shì)日益明顯,并在許多應(yīng)用領(lǐng)域由不同的信號(hào)處理方法形成了傳統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)地位。但非平穩(wěn)信號(hào)處理仍是目前所面臨的重要問(wèn)題之一,其難點(diǎn)在于如何協(xié)調(diào)好精度和分辨率這一對(duì)矛盾。
　　 在土木工程和地震工程中,振動(dòng)信號(hào)處理是信號(hào)處理技術(shù)最典型的應(yīng)用之一,其主要目的即是從信號(hào)中盡可能地提取完備的、具有實(shí)際物

2、理意義的信息以滿足科研和應(yīng)用的需要。然而,現(xiàn)實(shí)中的信號(hào)大多是非線性、非平穩(wěn)的,并且數(shù)據(jù)長(zhǎng)度有限,這使得分析處理此類信號(hào)成為一項(xiàng)復(fù)雜的工作。特別地,地震動(dòng)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)是地震工程中兩種常見(jiàn)的振動(dòng)信號(hào)形式,由于兩者及其對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)(結(jié)構(gòu))的特性存在一定的差異,使得與之密切相關(guān)的兩方面應(yīng)用--地震動(dòng)輸入研究和結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別又對(duì)信號(hào)處理提出了不同的要求。
　　 在地震動(dòng)輸入研究方面,人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到除傳統(tǒng)三要素外強(qiáng)度和頻率非平穩(wěn)特性同樣是地震動(dòng)的

3、重要特性,而瞬時(shí)譜被認(rèn)為是描述上述非平穩(wěn)特性的有效的概念。雖然已有不少信號(hào)處理方法被用于地震動(dòng)的瞬時(shí)譜估計(jì),但一直未能解決好精度和分辨率的矛盾,而在此基礎(chǔ)上的地震動(dòng)瞬時(shí)譜的模型化研究則更是空白。因此,尋求有效的信號(hào)處理方法用于地震動(dòng)瞬時(shí)譜的模型化研究,是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和分析對(duì)地震動(dòng)輸入研究提出的迫切需求。
　　 在結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方面,基于振動(dòng)的損傷識(shí)別在過(guò)去十年里一直是研究熱點(diǎn),針對(duì)已有方法的不足,研究者在相繼提出一些改進(jìn)措施的同時(shí)

4、,近年來(lái)也逐漸將注意力集中到通過(guò)結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)完備信息的提取來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別,這些研究為基于振動(dòng)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別提供了一個(gè)新思路。顯然,要實(shí)現(xiàn)這一思路就要求信號(hào)處理方法能夠高效、實(shí)時(shí)地從結(jié)構(gòu)振動(dòng)(反應(yīng))信號(hào)中提取完備信息,并能據(jù)此對(duì)結(jié)構(gòu)的性能(狀態(tài))做出準(zhǔn)確的評(píng)判和推斷。
　　 為此,本文對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)處理方法及其在地震動(dòng)非平穩(wěn)特性和結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中的應(yīng)用展開(kāi)了研究,主要工作和取得的創(chuàng)新成果可歸納為以下三個(gè)方面:
　　 1.非

5、平穩(wěn)信號(hào)處理方法
　　 首先,提出了三種改進(jìn)的參數(shù)化方法,不僅解決了現(xiàn)有方法難以協(xié)調(diào)好精度和分辨率這一對(duì)矛盾的難題,而且也為地震動(dòng)瞬時(shí)譜的模型化研究奠定了基礎(chǔ)；其次,提出了基于EMD和VARMA模型的改進(jìn)方法,由該方法所得 Hilbert譜不僅更具物理意義而且分辨率和可讀性更好。
　　 2.地震動(dòng)的非平穩(wěn)特性及仿真方法
　　 采用兩種強(qiáng)度包線模型研究了地震動(dòng)強(qiáng)度非平穩(wěn)特性,基于所收集的翔實(shí)的(5700余條)強(qiáng)震記

6、錄分析了強(qiáng)度包線參數(shù)的多維相關(guān)性及衰減規(guī)律,并給出了強(qiáng)度包線參數(shù)的設(shè)計(jì)取值建議；提出了指數(shù)衰減曲線形式的地震動(dòng)瞬時(shí)頻率模型,分析了瞬時(shí)頻率參數(shù)的多維相關(guān)性及衰減規(guī)律,并給出了設(shè)計(jì)取值建議；提出了時(shí)頻域彼此獨(dú)立的函數(shù)乘積形式的地震動(dòng)瞬時(shí)譜模型,為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和分析用地震動(dòng)輸入的選擇提供了一個(gè)重要的參考指標(biāo),為同時(shí)考慮強(qiáng)度和頻率非平穩(wěn)特性的地震動(dòng)仿真與合成奠定了基礎(chǔ)；提出了基于改進(jìn)信號(hào)處理方法及模型化瞬時(shí)譜的地震動(dòng)合成與仿真方法,為結(jié)構(gòu)抗震

7、設(shè)計(jì)和分析提供了更合理的地震動(dòng)輸入。
　　 3.結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別
　　 基于振動(dòng)信號(hào)完備信息提取的思路,提出了三種改進(jìn)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法,由于改進(jìn)方法采用了具有時(shí)變特性的損傷指標(biāo),因此不僅具有較好的適用性、敏感性和抗噪性,而且解決了現(xiàn)有常規(guī)方法無(wú)法對(duì)結(jié)構(gòu)損傷(包括多處損傷)的發(fā)生時(shí)間、先后次序、嚴(yán)重程度及累積發(fā)展過(guò)程等細(xì)節(jié)進(jìn)行描述的難題。
　　 論文以信號(hào)處理為紐帶,將地震動(dòng)輸入和結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別這兩個(gè)地震工程中看似不相