非線性橡膠隔震結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別與損傷診斷研究.pdf

1、在強(qiáng)烈地震等重大災(zāi)害事件發(fā)生后，有能力立即對結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)包括損傷情況作出評估，將能保證工程結(jié)構(gòu)設(shè)施的安全運(yùn)行。因此迫切需要發(fā)展先進(jìn)的損傷識(shí)別技術(shù)，利用事件中的響應(yīng)數(shù)據(jù)，如地震響應(yīng)數(shù)據(jù)，對結(jié)構(gòu)的功能或損傷狀態(tài)作出在線或近乎在線的快速評估，這也是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一?；诮Y(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)的結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別和損傷追蹤技術(shù)已成為當(dāng)前國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。到目前為止，盡管損傷識(shí)別方法已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但是能實(shí)際應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的有效損傷識(shí)

2、別方法仍然有待進(jìn)一步發(fā)展。
　　 目前，高阻尼橡膠支座隔震系統(tǒng)已經(jīng)在建筑和橋梁上得到了應(yīng)用，鑒于他們能顯著地減弱結(jié)構(gòu)在遭受地震及其它動(dòng)載荷的響應(yīng)，這些基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)今后將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用，為保證基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的完整性和安全性，需要發(fā)展與之相匹配的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。橡膠隔震支座健康監(jiān)測系統(tǒng)所面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)性問題是其遲滯非線性動(dòng)力學(xué)特性。
　　 本文首先針對工程結(jié)構(gòu)隔震中使用的GZN110型橡膠隔震支座進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并使

3、用該隔震支座建立了橡膠隔震結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在?shí)驗(yàn)中采用了一套剛度元件裝置，該裝置可以在線實(shí)現(xiàn)模型剛度的突然變化，在實(shí)驗(yàn)過程中在線模擬結(jié)構(gòu)損傷的的發(fā)生；其次，對當(dāng)前結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別中較為有效的兩種時(shí)域方法：卡爾曼濾波(EKF)方法和序貫非線性最小二乘(SNLSE)進(jìn)行了研究，提出了基于最優(yōu)化方法的自適應(yīng)追蹤技術(shù)，近乎在線的識(shí)別橡膠隔震支座和橡膠隔震結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)參數(shù)，并追蹤隔震結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，從而判斷結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)生，包括損傷發(fā)生的時(shí)間、部位和損傷程

4、度。本文的主要研究內(nèi)容和取得的成果有：
　　 (1)提出了本文研究模型的選擇標(biāo)準(zhǔn)，采用Bouc-Wen遲滯非線性模型對橡膠隔震支座的遲滯特性進(jìn)行建模。分析了Bouc-Wen遲滯模型非線性參數(shù)的靈敏度，得到了在不同大小激勵(lì)下遲滯模型非線性參數(shù)的排序，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了非線性參數(shù)變化對滯回曲線的影響，并對工程中使用的GZN110型橡膠隔震支座進(jìn)行了力學(xué)性能測試試驗(yàn)，分析了不同激勵(lì)頻率、不同大小加載及不同大小位移下，隔震支座的力

5、--位移曲線變化情況，最后綜合Bouc-Wen遲滯模型參數(shù)靈敏度分析，以及參數(shù)變化對模型遲滯特性的影響，并結(jié)合橡膠隔震支座力學(xué)性能試驗(yàn)對Bouc-Wen模型進(jìn)行簡化，確定Bouc-Wen模型參數(shù)個(gè)數(shù)，建立橡膠隔震支座遲滯非線性模型。
　　 (2)對廣義卡爾曼濾波(EKF)方法進(jìn)行了研究，提出一種基于最優(yōu)化方法的自適應(yīng)追蹤技術(shù)，近乎在線識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)生，包括損傷位置和程度。首先基于EKF方法，建立約束非線性最優(yōu)化方法中的目標(biāo)函數(shù)

6、和約束方程，推導(dǎo)了白適應(yīng)卡爾曼濾波方法。然后。進(jìn)行了數(shù)值仿真研究驗(yàn)證所提方法的有效性和準(zhǔn)確性。
　　 (3)建立橡膠隔震層實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，采用EKF方法對隔震層遲滯模型進(jìn)行在線參數(shù)識(shí)別研究，在實(shí)驗(yàn)過程中分別考慮含不同參數(shù)個(gè)數(shù)的Bouc-Wen遲滯模型，以及不同大小的地震波激勵(lì)，識(shí)別得到的參數(shù)值與有限元值及已有的學(xué)者建議值一致，且識(shí)別得到的位移值與實(shí)驗(yàn)測量值吻合良好；建立了橡膠隔震結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?shí)驗(yàn)過程中采用一套剛度元件裝置在線模擬結(jié)構(gòu)

7、的損傷，采用本文提出的AEKF方法在線識(shí)別隔震結(jié)構(gòu)參數(shù)，追蹤上部結(jié)構(gòu)的剛度變化，識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)生，位置和損傷程度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明AEKF方法能準(zhǔn)確識(shí)別隔震結(jié)構(gòu)參數(shù)，并追蹤結(jié)構(gòu)的損傷，識(shí)別得到的參數(shù)值與有限元值一致，識(shí)別得到位移與實(shí)驗(yàn)測量值吻合良好。證明了該方法在橡膠隔震結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別和損傷診斷中的有效性和準(zhǔn)確性。
　　 (4)推導(dǎo)了基于遺傳優(yōu)化算法的自適應(yīng)序貫非線性最小二乘(ASNLSE)方法，首先對該方法進(jìn)行了遲滯非線性結(jié)構(gòu)和基