基于地震反应记录尾部数据的结构振动台模型模态参数识别方法
【专利摘要】基于地震反应记录尾部数据的结构振动台模型模态参数识别方法，涉及模拟地震振动台试验测试领域。以得到每次地震动输入后模型结构的模态参数，进而得到整个试验进程中模型结构振动特性变化的完整图像，从而更好的了解在模型结构在地震动作用下破坏状态以及是在哪一次地震动输入过程中发生了较大的损伤破坏。结构振动台模型地震反应记录时变分析；结构振动台模型地震反应记录分段；模态参数识别，利用ARX方法识别结构模态频率和阻尼比；结构振动台模型自振特性变化与破坏状态分析。能更好地理解地震作用下结构反应及性态，全面把握结构模型的动力特性及其在试验过程中的变化情况。能确定对结构最为不利的输入地震动，为结构设计等提供参考依据。
【专利说明】基于地震反应记录尾部数据的结构振动台模型模态参数识别方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种结构振动台模型模态参数识别方法，涉及模拟地震振动台试验测试领域。
【背景技术】
[0002]模拟地震振动台试验中，为了解模型结构(模型结构也即结构振动台模型)在试验加载前后或多次分级加载过程中动力特性，需要测定与识别模型结构的模态参数，比如频率、阻尼比等。目前来看，一般通过传统的实验模态分析技术来完成，常用的有白噪声激振法、敲击激振法及正弦扫频法等，我国《建筑抗震试验方法规程》规定:模拟地震振动台模型试体的试验，宜在加载前采用正弦频率扫描法或白噪声激振法测定试体的动力特性。其中最常用的方法是白噪声激励法，在采用白噪声法确定模型频率和阻尼比时，一般采用自功率谱或传递函数分析求得，振型一般用互功率谱分析确定，这也是目前较为成熟的做法，因为此时在小幅值白噪声激励下模型结构的反应信号满足线性、时不变等假定，从而为分析带来了方便。因为受到试验条件、成本等因素影响，白噪声激励一般是在试验前加载一次，了解原始结构模型振动特性，整个试验完成后加载一次，用于了解整个试验完成后结构振动特性，而试验过程中一般在输入一组相同水平峰值的地震动后，再进行白噪声激励下模态分析，确定一组地震动输入后结构模型特性。这样做只能得到模型结构每组地震动输入前后模态参数及破坏情况，而不能得到每次地震动输入前后的模态参数及破坏状态，更不能确定在同一水平地震动输入过程模型结构是在哪一次地震动输入后模态参数发生了较大变化，即不能确定是由于哪一次地震动输入造成了结构严重损伤破坏。
[0003]实际上，试验过程中在地震动激励下的模型结构地震反应记录，如果加以合理分析与利用，也可以用来识别结构模型参数，确定模型结构模态参数。目前已经有研究者开始这项工作，但大部分研究者采用一次输入中的整条反应记录来识别模型结构参数，而从系统辨识的角度讲，这是不合理的，甚至会导致错误的识别结果和结论。因为在输入地震动特别是强烈地震动作用下，模型结构整个反应过程通常可以划分为较为明显的三个阶段:(I)强震动段前的线性反应一非时变阶段；(2)强震动段中的非线性反应一时变阶段；(3)强震动段后的线性反应一非时变阶段。即:(1)地震动刚刚开始时，运动强度不足以导致结构进入非线性反应，此时结构参数不会发生变化，结构以线性状态振动；(2)随着地震动强度增加，结构进入非线性阶段，结构发生损伤，表现为裂缝或破坏发生，结构参数发生变化；
(3)随着地震动结束，振动逐渐减弱，此时结构虽然发生了损伤，但其刚度等参数不再发生变化，带损伤结构或者说结构以另一状态做非时变振动，直至振动完全结束。这是强烈地震动过程中结构必然经历的三个反应阶段，其中第(2)个阶段就是本文所说的强震动段。在第(2)阶段结构参数是随着时间变化的，在识别结构参数时必须要考虑，不能直接利用整个反应记录时程识别模型结构参数。从系统辨识理论角度看，在(I)、(3)两个阶段结构参数没有发生时变行为，模型参数不会发生变化，而第(2)阶段结构参数发生了时变行为，有时时变反应可能还较强烈，参数发生了变化，如果利用整个记录时程识别结构参数，识别结果难以正确反映结构参数的真实情况，甚至导致错误结果。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种基于地震反应记录尾部数据的结构振动台模型模态参数识别方法，以利用振动台模型结构试验过程的地震反应记录，确定得到模型结构在每次地震动输入后模态参数，进而得到整个试验进程中模型结构振动特性变化的完整图像，从而更好的了解在模型结构在地震动作用下破坏状态以及是在哪一次地震动输入过程中发生了较大的损伤破坏。
[0005]本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是:
[0006]一种基于地震反应记录尾部数据的结构振动台模型模态参数识别方法，所述方法是按照以下步骤实现的:
[0007]步骤一、结构振动台模型(模型结构)地震反应记录时变分析:
[0008]采用AFMM方法分析结构振动模型地震反应加速度记录，得到结构振动台模型地震反应时变情况，分析时将结构振动台模型基底地震动记录看作输入信号，结构振动台模型顶层地震反应记录看作输出信号，跟踪结构振动台模型在地震动作用过程中是否发生了时变反应，如果发生了时变反应则确定进入和退出时变反应的精确时刻点；如果未发生时变反应则不需要分段(即整条地震反应记录作为一段)直接执行步骤三；
[0009]步骤二、结构振动台模型地震反应记录分段:
[0010]根据上一步找出的进入和退出时变反应的精确时刻点实现结构振动台模型的地震反应记录分段，将整条地震反应记录分为三段，只采用退出时变反应后的尾段记录(第3段数据)识别结构振动台模型的模态参数；
[0011]步骤三、结构振动台模型的模态参数(频率和阻尼比)识别:利用ARX方法识别模型结构传递函数，得到模态频率和阻尼比；
[0012]步骤四、结构振动台模型自振特性变化与破坏状态分析:
[0013]重复步骤一至步骤三得到每一次地震动输入试验后结构振动台模型的模态参数，得到整个试验过程中自振频率变化趋势，可判定结构振动台模型在各次地震动作用下破坏损伤情况。
[0014]在步骤一中，采用AFMM方法确定进入和退出时变反应的精确时刻点的具体过程为:
[0015]采用系统辨识理论，将结构振动台模型定义为一个时间域内的离散系统，用式(1)所示的状态空间模型来描述:
[0016]
【权利要求】
1.一种基于地震反应记录尾部数据的结构振动台模型模态参数识别方法，其特征在于:所述方法是按照以下步骤实现的: 步骤一、结构振动台模型地震反应记录时变分析: 采用AFMM方法分析结构振动模型地震反应加速度记录，得到结构振动台模型地震反应时变情况，分析时将结构振动台模型基底地震动记录看作输入信号，结构振动台模型顶层地震反应记录看作输出信号，跟踪结构振动台模型在地震动作用过程中是否发生了时变反应，如果发生了时变反应则确定进入和退出时变反应的精确时刻点；如果未发生时变反应则不需要分段直接执行步骤三； 步骤二、结构振动台模型地震反应记录分段: 根据上一步找出的进入和退出时变反应的精确时刻点实现结构振动台模型的地震反应记录分段，将整条地震反应记录分为三段，只采用退出时变反应后的尾段记录识别结构振动台模型的模态参数； 步骤三、结构振动台模型的模态参数识别:利用ARX方法识别模型结构传递函数，得到模态频率和阻尼比； 步骤四、结构振动台模型自振特性变化与破坏状态分析: 重复步骤一至步骤三得到每一次地震动输入试验后结构振动台模型的模态参数，得到整个试验过程中自振频率变化趋势，可判定结构振动台模型在各次地震动作用下破坏损伤情况。
2.根据权利要求1所述的一种基于地震反应记录尾部数据的结构振动台模型模态参数识别方法，其特征在于:在步骤一中，采用AFMM方法确定进入和退出时变反应的精确时刻点的具体过程为: 采用系统辨识理论，将结构振动台模型定义为一个时间域内的离散系统，用式(I)所示的状态空间模型来描述:
3.根据权利要求1或2所述的一种基于地震反应记录尾部数据的结构振动台模型模态参数识别方法，其特征在于:利用ARX方法识别结构模态频率和阻尼比的具体过程为: 利用以下公式(14)、( 15)求出系统的模态频率和阻尼比:
4.根据权利要求3所述的一种基于地震反应记录尾部数据的结构振动台模型模态参数识别方法，其特征在于，(K)的获得过程为: 对于ARX模型，假定t时刻系统的输出数据为该时刻之前的系统输入数据与输出数据的线性组合，如公式(9)所示:
【文档编号】G06F19/00GK103714252SQ201310738273
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月29日 优先权日:2013年12月29日
【发明者】公茂盛, 孙静, 谢礼立 申请人:中国地震局工程力学研究所