基于模型更新的土木結(jié)構(gòu)混合試驗(yàn)方法.pdf

1、結(jié)構(gòu)混合試驗(yàn)是將物理加載試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合來(lái)評(píng)估大型復(fù)雜土木結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和抗震性能的有效試驗(yàn)技術(shù)，目前正得到了研究者們的廣泛關(guān)注。目前已在混合試驗(yàn)系統(tǒng)、數(shù)值積分算法、加載控制、時(shí)滯補(bǔ)償、誤差累計(jì)控制等關(guān)鍵技術(shù)方面取得了一定的研究成果。然而，對(duì)于高層建筑或者大跨度橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行混合試驗(yàn)時(shí)，研究者們會(huì)遇到很大困難。當(dāng)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)入非線性，不可能將所有關(guān)鍵部分都進(jìn)行物理試驗(yàn)，如何準(zhǔn)確模擬數(shù)值子結(jié)構(gòu)成為最大的挑戰(zhàn)。為了能夠提高混合試驗(yàn)中數(shù)值子結(jié)構(gòu)

2、模型的準(zhǔn)確性，提出了基于約束隱性卡爾曼濾波器的模型更新混合方法。模型更新混合試驗(yàn)方法的研究對(duì)推動(dòng)混合試驗(yàn)方法發(fā)展及客觀揭示大型復(fù)雜土木結(jié)構(gòu)的動(dòng)力災(zāi)變過(guò)程具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
　　本文針對(duì)基于模型更新的土木結(jié)構(gòu)混合試驗(yàn)方法的一些關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了研究，主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　(1)采用確定性最小二乘法在線識(shí)別雙折線模型參數(shù)，通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證了在相同加載路徑下的在線模型更新效果。研究表明：該方法具有良好的參數(shù)識(shí)別

3、精度和較高的計(jì)算效率。針對(duì)兩層防屈曲支撐結(jié)構(gòu)，首次進(jìn)行了模型更新的混合試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)研究表明：與傳統(tǒng)混合試驗(yàn)相比，在線模型更新可以有效地減小混合試驗(yàn)數(shù)值模型誤差，提高混合試驗(yàn)精度。
　　(2)針對(duì)常量標(biāo)量系統(tǒng)，推導(dǎo)了不考慮過(guò)程噪聲和考慮過(guò)程噪聲狀態(tài)估計(jì)方差解析表達(dá)式，給出了卡爾曼濾波器影響參數(shù)對(duì)狀態(tài)估計(jì)影響規(guī)律。采用狀態(tài)估計(jì)方差作為狀態(tài)估計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，給出了使用卡爾曼濾波器進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)時(shí)濾波器參數(shù)取值建議。驗(yàn)證了采用狀態(tài)投影方法來(lái)解

4、決界限約束狀態(tài)估計(jì)的合理性。提出了考慮乘性噪聲卡爾曼濾波器的最優(yōu)估計(jì)遞推算法，通過(guò)彈性結(jié)構(gòu)剛度識(shí)別驗(yàn)證了算法的有效性。
　　(3)研究了基于隱性卡爾曼濾波器(UKF)的模型更新方法，搭建了基于dSPACE控制平臺(tái)的FTS作動(dòng)器試驗(yàn)系統(tǒng)，針對(duì)彈性試件首次進(jìn)行了基于UKF的模型更新混合試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：與傳統(tǒng)混合試驗(yàn)相比，該試驗(yàn)方法大幅度地提高了混合試驗(yàn)精度。提出了基于修改 Sigma點(diǎn)(Sigma Points)位置及權(quán)重的約束隱性卡

5、爾曼濾波器算法(約束UKF)。與UKF相比，約束UKF算法主要有兩個(gè)方面的改進(jìn)：1)在預(yù)測(cè)步中，將違反界限約束的Sigma點(diǎn)移至邊界上，同時(shí)將約束界限內(nèi)的Sigma點(diǎn)做相應(yīng)對(duì)稱調(diào)整，并從理論上證明當(dāng)κ=0.5時(shí)考慮約束的UT變換算法具有一階精度；2)在校正步中，采用狀態(tài)更新方程產(chǎn)生變換后的Sigma點(diǎn)，當(dāng)更新的狀態(tài)估計(jì)違反界限約束時(shí)，直接將超出約束邊界的Sigma點(diǎn)投影到邊界上，并給出了校正步狀態(tài)估計(jì)均值和協(xié)方差計(jì)算公式的理論證明。所提

6、出的算法可以同時(shí)考慮了界限約束對(duì)狀態(tài)估計(jì)均值和協(xié)方差的影響，而且具有較高的計(jì)算效率，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)模型更新。給出了Bouc-Wen模型在線參數(shù)識(shí)別方法。研究表明：與UKF方法相比，約束UKF方法能夠有效地減小參數(shù)識(shí)別值前期波動(dòng)幅度，確保參數(shù)識(shí)別值的物理意義，提高參數(shù)識(shí)別收斂速度和模型更新精度。進(jìn)行了濾波器初始參數(shù)影響分析，并給出參數(shù)選擇建議。
　　(4)針對(duì)兩個(gè)自由度非線性結(jié)構(gòu)進(jìn)行了基于約束 UKF模型更新的混合試驗(yàn)數(shù)值模擬，驗(yàn)證了

7、該試驗(yàn)方法的有效性和可行性。采用 dSPACE-MTS實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)系統(tǒng)，分別針對(duì)防屈曲支撐結(jié)構(gòu)首次進(jìn)行了慢速和實(shí)時(shí)的模型更新混合試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：與傳統(tǒng)混合試驗(yàn)和基于 UKF模型更新的混合試驗(yàn)相比，基于約束UKF模型更新的混合試驗(yàn)方法可以更大程度地提高混合試驗(yàn)精度。
　　(5)提出基于 OpenSees的模型更新混合試驗(yàn)方法，針對(duì)一榀六層框架-支撐結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了多種情況下的模型更新混合試驗(yàn)數(shù)值仿真。數(shù)值子結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)均采用Open

8、Sees進(jìn)行數(shù)值模擬，模型參數(shù)識(shí)別采用Matlab編程實(shí)現(xiàn)。通過(guò)修改原 OpenSees程序源代碼，建立可以模型更新的twoNodeLink單元。采用 Socket通信技術(shù)實(shí)現(xiàn) OpenSees和Matlab程序的數(shù)據(jù)傳輸。分別討論試驗(yàn)支撐采用 Bouc-Wen模型和考慮強(qiáng)度、剛度退化的Bouc-Wen模型兩種情況下模型誤差對(duì)混合試驗(yàn)精度的影響。研究表明，模型誤差將導(dǎo)致模型參數(shù)識(shí)別值很難收斂到一個(gè)穩(wěn)態(tài)值，具有較強(qiáng)的時(shí)變性，這會(huì)降低模型更