地震动非平稳特性对结构非线性响应影响的分析

虽然地震动的非平稳特性被越来越多的研究者所认识,但是其对结构非线性响应的影响却一直没有较为深入的研究。传统的反应谱和功率谱缺乏对地震动时间信息的表达,而由小波变换得到的地震动局部谱(时变谱)能更准确地反应地震动的非平稳性。更为重要的是,小波变换可以将地震动能量在时间上的分布进行调整而不改变能量在频率上的分布,对考察地震动非平稳性对结构非线性响应的影响非常有利。利用小波变换的上述优势,对比分析了三条实际地震动记录对一榀钢筋混凝土框架非线性时程响应的影响,通过调整其中一条记录的能量在时间上的分布,清楚地表明地震动能量在时间上的集中对结构响应非常不利,并由此提出了有效峰值的概念来定量反应这种表现为能量集中的地震动非平稳性。     

基于现代时频分析技术的地震波时变谱估计

利用短时傅里叶变换（STFT）、Wigner-Ville分布、连续小波变换、S变换以及变复窗口的S变换等现代时频分析技术对地震波进行时变谱估计。推导了基于连续小波变换的小波能量谱的具体表达式,并把近年来提出的变复窗口S变换应用到地震波的时频分析。通过研究表明对于均匀调制非平稳地震波,通过适当选择窗口的长度,利用STFT估计时变谱可得到较好的效果,小波变换与S变换以及变复窗口S变换的估计值在高频段存在能量泄漏现象;各方法估计的时变谱时间边缘函数与目标函数均符合较好;而频率边缘函数,Wigner-Ville分布与目标函数符合得最好,STFT次之,小波变换、S变换以及复窗S变换在高频段存在一定误差。对于频率非平稳性较强的地震波,通过适当地调节窗口参数,利用变复窗口S变换可得到地震波在时频域内有较好分辨率的时变谱;连续小波变换虽然在高频段存在能量泄漏现象,但其在时间域内有较好的分辨率。     

混凝土边坡模型微差爆破地震波反应谱分析

为了研究不同爆破间隔时间对反应谱特征的影响,利用地震工程中广泛采用的反应谱理论对收集到的室内混凝土边坡爆破振动信号进行研究。首先,对实测的爆破振动信号进行微分得到加速度信号,并用小波包降噪法对加速度信号进行去噪处理。然后,采用Fourier变换方法求得了不同间隔时间下爆破振动信号的加速度反应谱和标准加速度反应谱。分析结果表明:不同间隔时间的爆破质点峰值速度与加速度反应谱的峰值并不存在对应关系;多段微差爆破在起到干扰降振的同时,也使得结构体出现共振的几率增加。     

非负矩阵分解在地震作用下结构随机响应分析中的应用

地震动作为一类典型的非平稳随机过程可由演变谱刻画其能量的时-频分布。然而,演变谱的时-频耦合特性却限制了经典谱表示法的模拟效率。为提高非平稳地震动模拟效率,简化非平稳地震作用下结构随机响应分析,提出了基于非负矩阵分解(nonnegative matrix factorization,NMF)的地震动演变谱解耦方案,使结构在非平稳地震作用下的响应计算简化为各项均匀调制激励下的结构随机响应叠加。分析结果表明,基于非负矩阵分解的地震动演变谱解耦具有良好的精度,快速傅里叶变换技术的引入提高了经典谱表示法的模拟效率,模拟样本自相关函数与目标值吻合良好,非平稳地震作用下结构随机响应频域分析得到简化。     

地震动信号小波谱分析与结构损伤评估

地震动是一个复杂的非平稳随机过程，基于傅立叶变换的传统谱分析方法已经难以发挥作用，小波变换因其在时一频两域都具有表征信号局部特征的能力而成为非平稳信号分析的有力工具。通过采用小波能量理论对一个三层钢筋混凝土框架一剪力墙模型地震模拟振动台试验实测数据进行了不同小波中心频率下的小波谱分析，探索了在同一地震中信号能量累积和能量累积变化率与结构动力特性变化的关系；提出了小波传递函数的方法并将其用于不同加载条件后结构模态参数的求解，清晰地得到了结构在不同地震后力学性能的退化趋势。     

基于谐波小波包变换的齿轮箱包络解调分析

齿轮箱发生某些故障时所产生的非平稳信号具有多分量调制的特点,啮合分量及倍频受噪声干扰影响严重且相互交叠,信号频带较宽异常复杂,给故障诊断带来了很大的障碍。在研究谐波小波频段分解与Hibert解调分析的基础上,提出了基于谐波小波包变换的解调分析法的实现过程。该方法首先对预处理后的信号进行三次样条插值并作必要的频谱分析;然后结合频谱特征与齿轮箱故障特征频率的理论计算值,确定所需提取的特征啮合分量;继而确定谐波小波包分解层数与提取的频带带宽,再通过傅立叶变换及反变换得到相应的特征啮合分量;最后采用Hilbert算子对提取出的啮合分量进行包络解调分析。将该方法应用到实际齿轮箱的磨损及点蚀故障的诊断试验中,验证了该方法对任意频段调制信息的精确提取能力,为齿轮箱故障源及故障程度的准确定位提供了可靠的判断依据。     

Multiscale Galerkin method using interpolation wavelets for two‐dimensional elliptic problems in general domains

One major hurdle in developing an efficient wavelet‐based numerical method is the difficulty in the treatment of general boundaries bounding two‐ or three‐dimensional domains. The objective of this investigation is to develop an adaptive multiscale wavelet‐based numerical method which can handle general boundary conditions along curved boundaries. The multiscale analysis is achieved in a multi‐resolution setting by employing hat interpolation wavelets in the frame of a fictitious domain method. No penalty term or the Lagrange multiplier need to be used in the present formulation. The validity of the proposed method and the effectiveness of the multiscale adaptive scheme are demonstrated by numerical examples dealing with the Dirichlet and Neumann boundary‐value problems in quadrilateral and quarter circular domains. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于时间-小波能量谱的齿轮故障诊断

振动信号中的冲击现象及其频率特征是诊断齿轮局部损伤故障的重要依据之一。针对齿轮故障特征提出了一种时间-小波能量谱信号处理方法,它能够有效提取振动信号中冲击成分的时域和频域特征。利用时间-小波能量谱方法分析了正常、磨损、断齿等三种状态的齿轮箱振动信号,并与传统频谱分析方法进行相比。结果表明：时间-小波能量谱不仅可以有效提取故障特征,识别出齿轮箱的故障存在,而且可以清晰地分辨出故障类型及故障元件。     

钢筋混凝土框架-核心筒结构地震反应能量分析

通过对9个不同结构特性的钢筋混凝土框架-核心筒结构,选用一定数量的地震波进行时程分析,研究了此类结构在地震作用下的总输入能及其在滞回耗能和阻尼耗能之间的分配规律,以及滞回耗能在构件及层间的分布规律。研究表明,随着地震动幅值的增大,滞回耗能比也随之增加;不同频谱特性的地震波对滞回耗能影响较大;刚度特征值对结构总滞回耗能影响不大,但对构件的耗能分配具有较大影响;结构滞回耗能主要集中于底层剪力墙和中部连梁处。     

基于正交化HHT和随机相位模拟非平稳随机过程

模拟非平稳随机过程已经成为工程中经常遇到的情况,使非平稳过程的大量模拟样本具有相同的统计特性并不容易。基于样本记录正交HHT变换的Hilbert谱提出了非平稳随机过程的模拟方法。首先,利用正交化方法对IMF分量进行处理,避免了传统EMD分解造成的能量泄漏。第二步,把样本的Hilbert谱均值作为随机过程的目标Hilbert谱,通过引入随机相位进行非平稳随机过程的仿真,并且给出了随机过程的统计特性函数。通过对低频地震动记录和高频地铁振动记录的模拟算例表明,模拟的非平稳过程样本与原记录在时频分布上非常接近,具有相同的统计特性。     

Earthquake response analysis in the time domain for 2D soil–structure systems using analytical frequency‐dependent infinite elements

This paper presents a time domain method for soil–structure interaction analysis under seismic excitations. It is based on the finite element formulation incorporating analytical frequency‐dependent infinite elements for the far‐field soil region. Equivalent earthquake input forces are calculated based on the free‐field responses along the interface between the near‐ and far‐field soil regions using the fixed exterior boundary method in the frequency domain. Then, the input forces are transformed into the time domain by using inverse Fourier transform. The dynamic stiffness matrices of the far‐field soil region formulated using the analytical frequency‐dependent infinite elements in the frequency domain can be easily transformed into the corresponding matrices in the time domain. Hence, the response can be analytically computed in the time domain. A recursive procedure is proposed to compute the interaction forces along the interface and the responses of the soil–structure system in the time domain. Earthquake response analyses have been carried out on a multi‐layered half‐space and a tunnel embedded in a layered half‐space, and results are compared with those obtained by the conventional method in the frequency domain. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于小波包变换和时变频率的结构地震损伤评估

基于频率变化的结构地震损伤评估方法具有机理明确和精度较高等特点,但传统信号分析方法在时频分辨率上不能同时满足精度要求,导致时变频率不能直接从响应信号中精确获取,影响频率法损伤评估的应用。依据时频边缘条件提出时频谱分析精度评价标准,通过对比不同的信号分析方法,确认具有特定基函数的小波包变换是获取精确时变功率谱的有效工具。提出基于小波包脊的时变频率提取方法,在此基础上依据结构频率的变化可计算结构时变损伤指标,并最终实现结构多维地震损伤评估。算例表明基于小波包变换和时变频率的结构地震损伤评估方法可以较准确地反映结构的整体损伤演变过程和最终损伤程度。应用该方法时仅需要结构的位移时程,在结构动力分析、抗震验算以及实际结构的震害评估中均具有良好的适用性。     

Identification of resonant earthquake ground motion

Resonant ground motion has been observed in earthquake records measured at several parts of the world. This class of ground motion is characterized by its energy being contained in a narrow frequency band. This paper develops measures to quantify the frequency content of the ground motion using the entropy principle and the dispersion index. These measures are based on the geometric properties of the power spectral density function of the ground acceleration. The application of these measures to quantify the frequency content of random earthquake models is demonstrated first. Subsequently, these measures are used to quantify the frequency content of the ground acceleration for near-field records measured at rock and soil sites, short-duration and long-duration earthquakes.     

基于小波能谱和小波信息熵的管道异常振动事件识别方法

提出了基于小波能谱和小波信息熵的油气管道异常振动事件识别方法。基于Mach-Zehnder光纤干涉仪原理的分布式光纤油气管道安全监测系统实时检测管道沿途振动信号,对测量的时间序列进行小波变换,根据小波系数计算小波能谱与小波信息熵,通过小波能谱和小波信息熵值两种测度识别不同的管道安全异常事件。港枣线成品油管道的现场实验结果表明,该方法可以快速有效地识别管道周围发生的泄漏及其他异常情况,其总体识别准确率达到98.5%,有效降低了误报警率,具有较强的在线工况识别能力。     

基于滞变阻尼模型的时域计算方法

复阻尼时域运动方程的自由振动解中包含发散项,导致时域数值计算结果不能稳定收敛。在复阻尼模型的频域运动方程基础上可得到滞变阻尼模型的时域运动方程。针对滞变阻尼模型的特点,依据复平面法和地震加速度的三角级数表达式,该文提出了滞变阻尼模型的时域理论计算方法;假定时间步长内结构的振动响应为简谐振动响应,同时借助于常平均加速度法,提出了滞变阻尼模型的时域数值计算方法。算例分析表明,与复阻尼模型的时域数值计算方法相比,滞变阻尼模型的时域理论计算方法和时域数值计算方法可有效避免时域发散现象;滞变阻尼模型的时域理论计算结果和时域数值计算结果与复阻尼模型的频域计算结果近似相等,进一步证明了该文方法的正确性。     

基于改进Park-Ang模型的RC桥墩地震动损伤及滞回耗能特性研究

桥梁结构尤其是桥墩在强震作用下的地震动损伤、滞回耗能及其分布,是基于性能抗震设计的重要基础。引入改进的Park-Ang双参数损伤评估模型,以某靠近活动断层的高速公路RC梁式桥等效单墩模型为对象,深入分析了加速度峰值(PGA)、频谱、持时等三个地震动要素对损伤、滞回耗能及其分布的影响规律。研究表明,损伤及累积滞回耗能沿桥墩竖向自下而上显著减小,随着PGA的增大,墩底及附近截面的损伤指标明显增大,损伤高度不断扩大,损伤参与系数分布基本稳定,墩底损伤一般占桥墩总损伤的30%～40%。累积滞回耗能所致损伤可达总损伤的20%至80%,不容忽略。地震动频谱特性影响显著,当地震波卓越周期与结构自振周期接近时,会导致各项指标的显著增加。持时对损伤分布比例没有明显影响,但强震持时对于截面损伤值存在累加效应。     

五滚柱式定向离合器故障诊断的小波包变换方法

论述了小波包分解及其能量谱处理五滚柱式定向离合器故障的原理与方法。应用小波包分解及其能量谱直观地识别出故障的特征频带，并进行了量化分析。结果表明，小波包及小波包分解能量谱比传统的傅立叶分析方法具有更大的优越性和价值。     

人造地震动反应谱拟合的窄带时程叠加法

提出了一种在时域内叠加窄带时程的方法以提高人造地震动时程对目标反应谱的拟合精度。该方法首先利用传统的在频域内调整傅立叶幅值谱的方法合成以给定峰值加速度、反应谱和强度包线为目标的初始加速度时程;然后基于线性单自由度体系的地震输入反演公式,利用在时域内叠加窄带时程的方法继续调整该初始时程以进一步提高其对目标反应谱的拟合精度。算例分析结果表明,该算法所得到的人造地震动时程对目标谱具有较高的拟合精度。     

小波包分解及其能量谱在发动机连杆轴承故障诊断中的应用

论述了波波包分解及其能量谱处理发动机连杆轴承故障的原理与方法,结合传统断火诊断法的思想,应用小波包能量谱直观地识别出故障的特征频带,并进行量化分析,结果证明了这种方法比传统的付立叶分析方法具有更大的优越性及现实的应用价值。