结构恢复力非参数化模型识别的改进容积卡尔曼滤波方法

对地震等强动力荷载作用过程中结构损伤的发生发展过程进行识别,必须考虑结构行为的非线性。本文运用相对位移和相对速度的幂级数多项式表征结构恢复力模型,提出一种基于改进的容积卡尔曼滤波算法（Updated Cubature Kalman Filter, UCKF）和结构部分自由度上加速度响应时程的结构参数、未知响应及恢复力非参数化模型识别方法。以一个含磁流变阻尼器的多自由度数值模型为例,考虑20%的加速度响应测量噪声影响,识别出模型的结构参数、未知响应及阻尼力。并将本文方法所得结果分别与基于扩展卡尔曼滤波算法、传统容积卡尔曼滤波算法及含记忆衰退的扩展卡尔曼滤波算法所得结果进行比较。对一个带磁流变阻尼器的四层剪切型框架模型进行激振试验,基于部分自由度上的加速度响应时程实测值,识别出结构参数、未知动力响应以及阻尼器阻尼力的非参数化模型,通过与实测结果的比较,验证了本文方法的可行性。     

利用部分加速度测量的结构滞回特性免模型识别

结构非线性恢复力与位移的关系即滞回特性是强动力荷载作用下结构损伤发生发展过程的直接表征,可直接用于结构耗能的定量评估。该文提出一种仅部分自由度受到激励且只有部分自由度上加速度响应测量已知时结构非线性恢复力和质量识别方法。无需结构恢复力参数化模型,利用切比雪夫多项式来描述非线性恢复力,结合无迹卡尔曼滤波算法（Unscented Kalman Filter, UKF）,在结构刚度、阻尼、质量未知情况下,实现非线性恢复力和结构质量识别。在一个多自由度数值模型中引入磁流变阻尼器模拟非线性构件,通过数值模拟验证该方法的识别效果。结果表明,该方法在仅部分自由度受激励且仅部分自由度上加速度响应时程已知时,可对结构非线性恢复力和质量进行有效识别。该方法对工程结构在强动力荷载作用下损伤发展过程的识别及耗能的定量评估具有重要意义。     

基于部分加速度测量的结构Bouc-Wen非线性恢复力及质量识别

结构非线性行为识别是结构灾后损伤评估的关键。扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)有助于解决结构动力响应测量不完备的问题,但一般要求结构质量已知。针对仅部分加速度响应已知和结构质量未知情况下结构非线性恢复力的识别问题,提出一种结合EKF和最小二乘算法的结构非线性恢复力及质量识别的迭代算法。该方法基于质量估计值和部分自由度上的加速度响应测量,通过EKF预测完整响应时程,再利用最小二乘法识别修正质量分布,循环迭代至收敛,最后基于质量收敛值实现物理参数(刚度、阻尼、非线性)的识别,进而得到非线性恢复力。以一个含Bouc-Wen磁流变阻尼器的多自由度体系的数值模型为例,考虑4种不同的质量初始误差,通过数值模拟验证该方法识别结构质量及非线性恢复力的有效性。同时考虑加速度测量噪声的影响,证明了该方法的鲁棒性。     

基于切比雪夫多项式模型的多自由度结构非线性恢复力时域识别

结构非线性恢复力可直接描述其在动力荷载作用下损伤发生发展过程,传统的基于特征值抽取的结构识别方法严格来讲不适应于振动过程中出现损伤的情况。该文利用结构动力响应时程的切比雪夫多项式表示非线性恢复力,在结构质量等物理参数和恢复力模型未知时,提出利用最小二乘优化算法的多自由度结构在完整及非完整激励下非线性恢复力识别方法。对一个含磁流变阻尼器的多自由度数值模型和一个带磁流变阻尼器的四层框架结构的非线性恢复力进行了识别,在数值模拟中探讨了测量噪声对识别结果的影响,并与基于幂多项式模型的方法的结果进行了对比。结果表明,所提出的非线性恢复力识别方法能对结构的非线性恢复力进行有效识别,识别精度高,可用于工程结构在强动力荷载作用下的损伤发生发展过程的监测与识别,并对结构耗能进行定量评估。     

部分观测下结构质量识别迭代及滞回力识别方法

在强动力荷载作用下结构滞回力可直接描述损伤的发生发展过程,并用于结构耗能的定量评估。提出一种仅利用结构部分自由度上加速度响应时程且结构刚度、阻尼、质量均未知时的结构质量识别迭代和滞回力识别方法。首先基于质量预估值利用扩展卡尔曼滤波方法预测结构的位移和速度响应以及未知加速度响应,利用二重切比雪夫多项式对质量进行更新并迭代直到收敛,最后基于收敛的质量识别值描述结构滞回性能,识别结构滞回力。在一个多自由度集中质量数值模型中引入磁流变阻尼器模拟非线性构件,在结构仅已知部分自由度上加速度响应时程的条件下,数值模拟结果发现结构质量分布和阻尼器的滞回阻尼力均有良好的识别结果,同时考察了测量噪声的影响。     

部分观测下结构质量及非线性恢复力免模型识别

强动力荷载作用后结构的非线性恢复力是其非线性行为的最直观描述,但由于不同结构非线性特性的复杂性,非线性行为往往难以事先用准确的参数化形式描述,而且由于土木工程结构的活荷载的不确定性,结构质量也往往无法准确预知,结构各自由度所有动力响应也难以完整获得。为此,本文提出一种仅利用结构部分自由度上的加速度响应,结合等效线性理论与无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter, UKF )算法,迭代识别结构非线性恢复力与结构质量方法。该方法不需要假设任何参数化或非参数化模型。通过在一个线性多自由地系统中引入磁流变阻尼器(MR)模拟非线性元件构成非线性动力模型,考虑不同质量初始值和一处或者多处存在非线性而且非线性特征不一样的情况,基于部分自由度上的加速度响应测量,对结构中磁流变阻尼器的恢复力以及结构质量进行了识别,通过与理论值的比较验证了该方法的有效性。     

利用部分加速度测量的多自由度结构质量及滞回力识别

在强动力荷载作用下结构滞回力可直接描述损伤的发生发展过程，并用于结构耗能的定量评估。提出一种仅利用结构部分自由度上加速度响应时程且结构刚度、阻尼、质量均未知时的结构质量识别迭代和滞回力识别方法。首先基于质量预估值利用扩展卡尔曼滤波方法预测结构的位移和速度响应以及未知加速度响应，利用二重切比雪夫多项式对质量进行更新并迭代直到收敛，最后基于收敛的质量识别值描述结构滞回性能，识别结构滞回力。在一个多自由度集中质量数值模型中引入磁流变阻尼器模拟非线性构件，在结构仅已知部分自由度上加速度响应时程的条件下，数值模拟结果发现结构质量分布和阻尼器的滞回阻尼力均有良好的识别结果，同时考察了测量噪声的影响。     

基于二重切比雪夫多项式的多自由度系统SMA非线性恢复力识别

针对真实结构在动力荷载作用下恢复力模型难以用准确参数化形式描述问题,将结构非线性恢复力作为结构损伤及非线性行为的直接描述,提出基于二重切比雪夫多项式模型的多自由度体系非线性恢复力时域识别方法,实现结构质量信息完全未知及激励完整、非完整两种情况下多自由度系统非线性恢复力识别。通过带理想双旗形恢复力模型形状记忆合金(SMA)阻尼器两自由度数值模型的数值模拟与安装SMA阻尼器的钢框架模型动力实验结果验证该方法的识别效果,并与基于幂多项式模型方法进行对比。数值模拟验证中同时考虑测量噪声对识别结果影响。结果表明,该方法能对结构质量分布及在动力荷载作用下非线性恢复力进行有效识别,为结构在动力荷载作用下损伤发生、发展过程监测及结构耗能的定量评估提供方法。     

部分观测下结构质量及非线性恢复力免模型识别

强动力荷载作用下结构构件的恢复力是其非线性行为的最直观描述,不同结构的非线性特性复杂且往往难以事先用准确的参数化形式描述,而且活荷载的存在也导致结构质量也需要识别,此外测量完整结构所有自由度的动力响应较为困难。为此,提出一种结合等效线性理论与无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter,UKF)的迭代算法,仅利用结构部分自由度上的动力响应,实现结构质量与非线性恢复力的免参数化模型的同时识别。在一个线性多自由度系统中引入磁流变阻尼器模拟非线性元件,在不同质量初始值情况下,当一处或多处存在不同类型的非线性构件时,可实现结构恢复力及质量识别,通过将识别结果与理论值的比较验证了该方法的有效性。     

未知激励下的无迹卡尔曼滤波新方法

无迹卡尔曼滤波（UKF）是一种识别非线性系统的有效方法,然而传统的UKF方法需要观测外部激励,这限制了UKF的应用范围。迄今为止,国内外对未知激励情况下的UKF方法的研究还非常少。该文在传统UKF的基础上,推导出在未知激励情况下的无迹卡尔曼滤波（UKF-UI）方法的递推公式,通过对观测误差的最小化,利用非线性方程求解,识别未知外部激励,进而识别非线性结构系统状态与结构未知参数。进一步采用融合部分观测的加速度响应及位移响应,消除识别结果的漂移问题。分别通过白噪声和未知地震作用下识别非线性迟滞模型的两个数值算例,考虑观测噪声对非线性系统进行识别,从而验证提出新方法的有效性。结果表明,该文所提出的UKF-UI方法,能够在部分观测结构系统响应的情况下,有效地识别非线性结构参数和未知激励。     

部分加速度测量下结构恢复力与质量非参数化识别方法

传统的基于扩展卡尔曼滤波方法的结构非线性行为识别方法往往要求结构质量以及结构非线性恢复力的参数化模型已知。该研究为解决非线性结构质量,结构参数,非线性恢复力的识别问题,提出了一种两阶段识别方法;为提高计算效率采用遗忘因子扩展卡尔曼滤波算法结合等效线性模型实现结构非线性位置的定位,随后采用无迹卡尔曼滤波算法与恢复力的二重切比雪夫多项式非参数化模型识别结构参数,质量与恢复力。在对一个含形状记忆合金(SMA)阻尼器的多自由度体系的数值模型进行了数值模拟验证的基础上,设计了一个含SMA阻尼器的四自由度框架开展动力试验,验证了所提出方法对结构质量以及恢复力的识别效果。     

基于实测时间序列的非线性系统恢复力识别

提出一种完全基于激励和结构响应实测数据的结构动力系统非线性恢复力识别方法,并通过在一个4层钢结构模型中引入具有非线性特性的磁流变阻尼器(MR)模拟非线性恢复力,基于此模型结构在不同的激励方式下的动力响应测量数据,验证了该方法的有效性。对于结构的各自由度均受到激励的情况,运用最小二乘拟合算法识别出等效线性系统的物理参数(质量、刚度和阻尼矩阵),进而得到模型结构振动过程中MR阻尼力随时间变化情况并与实验实测结果进行了比较。针对结构仅在有限自由度上受到激励的情况,对以上方法进行了改进,提出了一种非线性系统恢复力的非参数化识别方法,利用结构中弹性恢复力的对称关系,分步确定了结构各层间恢复力模型,从而得到MR恢复力的大小并与实测结果进行了比较。结果表明,基于时域实测信号的非线性系统恢复力识别法在完整激励和非完整激励下均能有效地识别结构的非线性恢复力特性。文章所述方法可以运用于工程结构在动力荷载作用下的损伤发生发展过程的监测与识别。     

Data based model free hysteresis identification for a nonlinear structure

In the last two decades, the damage detection for civil engineering structures has been widely treated as a modal analysis problem and most of the currently available vibration-based system identification approaches are based on modal parameters, namely the natural frequencies, mode shapes and damping ratios, and/or their derivations, which are suitable for linear systems. Nonlinearity is generic in engineering structures. For example, the initiation and development of cracks in civil engineering structures as typical structural damages are nonlinear process. One of the major challenges in damage detection, early warning and damage prognosis is to obtain reasonably accurate identification of nonlinear performance such as hysteresis which is the direct indicator of damage initiation and development under dynamic excitations. In this study, a general data-based identification approach for hysteretic performance in form of nonlinear restoring force using structural dynamic responses and complete and incomplete excitation measurement time series was proposed and validated with a 4-story frame structure equipped with smart devices of magneto-rheological (MR) damper to simulate nonlinear performance. Firstly, as an optimization method, the least-squares technique was employed to identify the system matrices of an equivalent linear system of the nonlinear structure model basing on the excitation force and the corresponding vibration measurements with impact test when complete and incomplete excitations; and secondly, the nonlinear restoring force of the structure was identified and compared with the test measurements finally. Results show that the proposed data-based approach is capable of identifying the nonlinear behavior of engineering structures and can be employed to evaluate the damage initiation and development of different structure under dynamic loads.     

适用于圆形隧道损伤评价的地震动强度指标研究

地震动强度指标是影响结构地震风险评估准确性的重要参数,在基于性能的地震工程研究框架中发挥着重要作用。合理的地震动强度指标可以使结构地震反应预测结果更加准确。为研究适用于圆形隧道损伤评价的地震动强度指标,该文基于整体式非线性动力时程分析方法,建立圆形隧道-围岩相互作用二维有限元分析模型,采用FEMA-P695推荐的近场无脉冲及远场地震动作为输入,并以衬砌横断面整体压缩损伤指数和拉伸损伤指数作为结构损伤指标评估衬砌损伤状态,对比分析了工程中常用的20种地震动强度指标在圆形隧道损伤评价中的适用性。研究结果表明:基于有效性、实用性、有益性和充分性判别准则,适用于圆形隧道损伤评价的最优地震动强度指标为持续最大加速度SMA,其次为加速度谱强度ASI。     

基于能量概念的剪切型多自由度体系弹塑性地震位移反应分析

基于能量概念进行结构动力分析能更清楚的揭示结构抗震性能的本质。介绍了基于能量准则的结构抗震设计概念和有关研究状况。同时根据地震作用下剪切型多自由度结构体系的弹性及弹塑性时程分析结果,研究了能量在楼层间分布的特点,指出了能量集中的现象和原因。并且根据大量分析结果,给出了楼层能量集中的规律及相关因素,并采用等往复振动能量准则建议了能量集中楼层的弹塑性位移计算方法。     

基于振动响应的隔震支座的非线性建模及参数估计

为了研究隔震橡胶支座的力学特性,采用修正的Wen模型分析隔震支座的非线性动力行为,并用试验方法测试得到了该模型的相关参数.鉴于该模型具有高度的非线性,传统的参数识别方法不再适用,本文根据非线性系统状态参数估计理论,利用多项式一阶近似技术来代替EKF滤波技术中的求导线性化过程,估计迟滞模型的非线性参数.该方法具有运算简单、计算精度高、易于实现的优点.通过进行两种简谐激励下的仿真和试验,结果表明隔震支座的模型参数的递推结果相当可靠,从而证实了该方法在隔震支座检测和健康状态评估中的有效性.     

采用磁流变阻尼器的汽车悬架系统的杂交建模

利用线性回归方法,对磁流变阻尼器阻尼力与速度、加速度间的函数关系作了线性与非线性的区分,采用神经网络对非线性部分进行建模,并结合线性部分构建了磁流变阻尼器的模型。在此基础上,融合汽车悬架的先验知识模型,建立了采用磁流变阻尼器的4自由度1/2车辆半主动悬架系统的杂交模型。最后利用SANTANA 2000型轿车的参数进行仿真,并与基于磁流变阻尼器非线性滞回模型的建模方法作了比较,结果表明:杂交建模方式结构简单、计算量小、模型准确、便于进行系统主要动力学特性的分析。     

基于结构响应极值前四阶矩的桥墩抗震可靠度

为研究桥墩非线性地震响应下的抗震可靠度,引入随机函数-谱表示模型与高阶矩法,提出了基于结构响应极值前四阶矩的桥墩抗震可靠度分析方法。考虑三线型恢复力模型,建立了桥墩的单墩模型;利用随机函数-谱表示模型生成非平稳地震加速度时程样本并对桥墩进行非线性时程分析,在此基础上,建立了结构响应极值前四阶矩(均值,标准差,偏度和峰度)的计算框架;最后,考虑桥墩位移界限,给出了桥墩位移的功能函数,进而利用高阶矩法计算桥墩抗震可靠指标。通过对桥墩结构分析,验证了该方法的高效性与精确性;计算结果表明:与Monte Carlo模拟结果相比,该方法计算的前四阶矩、抗震可靠指标(失效概率)的最大相对误差分别为0.28%,1.92%(4.92%),该方法为桥墩抗震可靠度评估提供了一种有效的途径。