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土木工程物理参数时域识别与地震动反演研究
时间:2020-11-12 18:55 | 栏目:土木工程 | 浏览:次
硕士论文网第2020-11-12期，本期硕士论文写作指导老师为大家分享一篇土木工程文章《土木工程物理参数时域识别与地震动反演研究》，供大家在写论文时进行参考。
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本篇论文是一篇土木工程硕士论文范文，利用系统识别的方法进行结构的损伤检测是结构工程领域中具有挑战性的研究课题之一。地震作用后，各类建筑物难免遭受一定程度的损伤，通过结构参数识别的方法确定受损结构的实际性态，可以对震后受损结构的残存能力和可靠性做出正确的评价。可见，结构参数识别是结构动力检测的最重要的一环。基于时域动力响应的结构物理参数识别，能够识别到结构构件级别的实际物理参数，确定每个构件的实际状态，这一优势使结构物理参数时域识别成为参数识别领域的研究热点。
第一章 绪 论
1.1 引言
系统识别最早被应用于控制领域，但近几十年来，随着计算技术及试验技术的发展，系统识别作为一个学科在工程应用的各领域受到世界范围内越来越广泛的关注。在土木工程领域，系统识别于上个世纪七十年代被引入，建筑物、桥梁、工业塔架、海洋平台和大坝等工程结构被视为“系统”，而由振动试验数据求得结构的动力特性即模态参数，如自振频率和振型或求得结构的物理参数，如质量参数、阻尼参数或刚度参数等，被称之为“识别”。而由识别出来的动力特性并借助于有限元分析结果，可以进行有限元模型修正、结构损伤检测、受损结构物的评定、结构控制和结构实时监测等。Zade 在 1962 年给出了识别的含义：“识别就是在输入和输出数据的基础上，从一组给定的模型中，确定一个与所测系统等价的模型”；1974年 Eykhoff 定义识别为：“识别问题可归结为用一个模型来表示客观系统（或将要构建的系统）本质特征的一种演算，并利用这个模型把对客观系统的理解表示成有用的形式”；1978 年 Ljung 定义识别为：“识别有三个要素——数据、模型和准则，识别就是按照一个准则在一组模型中选择一个与数据吻合的最好的模型”。因此，可给出系统识别的经典定义，即在系统输出和输入信息为已知的基础上，确定出与现实工程结构物等价的计算模型及其参数的过程。但是随着系统识别在工程中的应用，人们发现其实在大多数情况下根本无法实现输入信息的测定，例如现场的试验条件、结构的复杂性以及激振设备的昂贵都限制了工程人员去直接得到输入信息。从而也是这些限制条件促使系统识别的理论在一定程度上得到拓展，如在实验室或能得到输入信息的现场测试中，由已知的输入和输出信息推求得到结构的模态参数或物理参数，即为经典的系统识别理论；而由已知结构的各种参数和输出信息可以推求结构的输入信息，即为输入反演理论；现在工程应用领域结合该两种理论拓展了现代系统识别理论，也称之为复合反演理论，即在未知输入信息和结构各种参数的情况下，仅有已知的输出信息去反演得到输入信息，并在输入反演的推求过程中得到结构的各种参数；通过拓展的系统识别理论，使系统识别在工程领域得到更广泛的应用。用来描述结构的性态的参数有结构的模态参数和结构物理参数。结构的物理参数主要包括刚度参数，其外还有质量参数和阻尼参数等，它是结构性态的直观表述，直接反映结构的状态，也是进行结构可靠性评价需要直接应用的参数。结构的模态参数主要包括结构的自振频率和振型等，其也是结构的一个非常重要的性态，反映结构的质量和刚度分布状态，如果结构的模态参数发生变化，也能间接反映结构的物理性态变化。从而可以定性和定量的识别出结构状态的改变。因此，土木工程结构的系统识别问题可分为结构模态参数识别问题和结构物理参数识别问题。在土木工程领域里，采用的系统识别方法甚多，文献等对此做了综述性的概述。本文在此基础上，参阅了大量文献资料，对土木工程领域的系统识别发展历程及其方法进行了概括与总结。
1.2 土木工程领域系统识别发展历程
系统识别的早期工作追溯于上个世纪七十年代，如 1977 年 PCaravani. 等可能是最早将系统识别技术应用于土木工程结构，是第一次将时域参数识别方法—递推最小二乘法应用于土木工程结构物。在近几十年里，国内外学者对土木工程中系统识别问题进行了大量的研究，现分别对这些研究进行归纳与总结。MHoshiya. 等（1984）[115]提出了加权整体迭代扩展卡尔曼滤波技术估计地震激励下结构系统的参数，通过对多自由度线性系统、双线性滞回系统和双线性滞回等效线性化系统进行参数识别，验证了方法的有效性和实用性。KToki. 等（1989）给出了一种基于扩展卡尔曼滤波技术、仅利用测试动力响应识别结构参数和地震动输入的方法。该方法首先假定测试动力响应的尾波部分为结构系统的自由振动响应，在无地震动输入影响条件下，识别结构系统的质量、刚度和阻尼系数；然后，利用已识别的结构参数和测试的全时程记录估计输入地震动。GCKoh. . 等（1991）利用子结构方法在时域内进行结构参数（刚度和阻尼）估计，通过子结构方法分解结构，建立子结构的状态方程和观察方程，并利用加权整体迭代的扩展卡尔曼滤波算法求解这些方程；提出了子结构重叠和不重叠的子结构方法，对剪切型结构、平面框架结构和平面桁架结构三类结构进行了数值模拟分析，发现利用上述两种子结构方法，都能充分改善结构参数达到最优值的收敛性，与整体结构识别相比需要更少的计算时间；对于不重叠子结构法能够避免重叠子结构法带来的误差传递的问题，能够更好的收敛于真值，而重叠子结构法需要较少的响应测量数据；同时，还研究了测量噪声、参数初始估计和采用到的观测响应的不同等对参数估计的影响。1995 年提出了一种修正凝聚法识别三维多层框架结构的刚度参数，运用静力和动力凝聚法减少结构的自由度，利用经扩展卡尔曼滤波估计的补偿模型来最小化模型误差，并通过计算刚度修正因子修正模型，最后使该法满足诚信指数来量化层刚度的变化来确定结构损伤程度，研究表明在输入和输出均遭受噪声影响情况下该方法能够精确确定每层刚度降低程度。2000 年他们进行了时域内大型结构系统的参数识别研究，采用了遗传算法，提出一种比物理域维数大大减少的模态域遗传算法，解决了计算耗时大的问题；分别以 10 自由度无阻尼系统、有阻尼系统和 50 自由度的大型系统为算例，计算结果说明了方法的可行性，在数值计算时考虑了测量噪声的影响。同年，研究了结构健康诊断中的系统识别方法，考虑到系统识别应用于大尺寸结构系统时常常遇到难以收敛的问题，文中利用子结构法和遗传算法，提出一种改进的识别方法；数值模拟了一 10 自由度的弹簧－质量系统，给出了数值模拟的结果，并在识别精度方面比较了直接遗传算法、子结构方法和改进的识别方法，数值分析表明改进的识别方法改善了数值计算精度，而且可应用于尺寸较大的结构系统。2003 年针对拥有大量未知参数系统在测试不完备和噪声存在条件下难以获得好的识别结果的问题，联合遗传算法和一致局部搜索算子提出了参数识别的复合计算方法，对具有 52 个未知参数的大型结构系统进行参数识别研究，表明提出的复合方法比遗传算法能获得更好的识别结果。同年，针对大型结构，又提出了子结构识别法和基于子结构模型的渐进结构识别方法，方法的主要思路为将大型结构分解成若干个子结构，第一个子结构最小，其后各个子结构包含前一个子结构，利用基因算法逐个识别子结构参数，子结构法和渐近结构识别法的优点在于每次识别时的未知参数较少。
第二章 系统识别的基础理论
2.1 引言
任何系统的分析、设计、综合和控制以及对其未来行为的预测，都是在已知系统的数学模型的基础上进行的，因此，建立描述系统动态性能的数学模型，就成了自动控制的基础理论和工程实践的重要组成部分。系统辨识就是从对系统进行观察和测量所获得的信息中提取（建立）系统数学模型的一种理论和方法。随着科学技术的发展，系统论、控制论和信息论的应用范围不断扩大，各门学科的研究方法都在逐步向定量化方向发展。“建模”这一术语已成为各门学科的共同语言。系统辨识因此成为各种学科共同关心的问题。目前，系统辨识理论日趋成熟，它正作为一门具有明显使用价值的学科，活跃在各个领域，吸引着大批科学技术人员。一方面是由于人们在认识自然、改造自然的过程中，对事物的变化规律需要定量地用数学模型来描述；另一方面是由于电子计算机的发展和普及推动了系统辨识向纵深发展。系统辨识所涉及的理论基础相当广泛，内容也比较丰富。下面简要阐述一下几个名词。系统是由相互关联、相互制约、相互作用的若干组成部分按一定规律组合而成的具有特定整体功能和综合行为的整体。系统可具有完全不同的属性，如工程系统、生物系统、经济系统、社会系统等。但是，在系统理论中，常常抽去具体系统的物理或社会含义而把它抽象化为一个一般意义下的系统而加以研究，这种处理方法有助于揭示系统的一般特性。系统的概念具有相对性，系统的每个组成部分也可以是一个系统，而系统自身又可以是一个更大系统的组成部分。系统最基本的特征是它的整体性，系统的行为和性能是由其整体所决定的，系统可以具有其组成部分所没有的功能，有着相同组成部分但它们的关联和作用关系不同的两个系统可呈现出很不相同的行为和功能。“系统”是一个应用十分广泛的术语，它已经扩展到各个学科领域。模型是人们对客观事物的主观描述，是人们对实体的特征和它的变化规律的抽象；模型是人们为了理解和研究实体，通过观测和思维所形成的对事物的主观认识。在大多数情况下，建立模型的目的，并不在于要将实体的一切方面都反映出来，而只是要求模型在人们所要研究的主题范围内描述出实体的特征和它的变化规律。所以模型是对可观实体的本质方面所作的抽象或表达。
2.2 反问题的基础知识
人类在认识世界的过程中，最先总是通过感觉器官接收到各种不同的讯号，从而来认识客观现象的。然后，就会发现有些现象之间存在着某种必然的因果关系。这一关系和因果两类讯号构成了一个简单的系统，可用图 2-2 表示它的结构：用系统科学的语言，因讯号称为输入；果讯号称为输出；其间的关系则称为模型或系统。输入为外因，模型或系统为内因。根据因果之间的已知与未知，来对系统科学进行分类：由因（已知内因与外因）求果，称为正问题（ problemdirect ），求解正问题，也称为分析问题。由果求因（内因或外因），则称为反问题（ probleminverse ），求解反问题，也称为反演问题；由果和某些特性求内因和外因，则是反问题的一个特例，求解这类问题，也称为复合反演问题。反问题可以根据已知讯号的来源进行分类：若已知讯号是由观测得到，这类反问题为辨识问题（ problemtionidentifica ），其中，求内因（模型或系统）称为系统辨识或模型辨识，而求外因（输入）则称为源的辨识或外部作用的辨识或输入反演；若已知讯号不是实测获得的，而是人们所期望的值，那么这类反问题则称为设计问题（ problemdesign ）；若在所求的模型（或系统）中或输入中有些部分可以由人们操纵其变化，则这类反问题称为控制问题（ problemcontrol ）。辨识、设计与控制都属于反问题范畴，均是工程等领域的重要研究课题。
第三章 基于经典最小二乘算法的结构物理参数时域识别研究
3.1 引言
3.2 不完备测试信息的重构
3.3 输出测试信息不完备条件下结构物理参数时域识别
3.4 本章小结
第四章 基于复合反演算法的结构物理参数时域识别研究
4.1 引言
4.2 辅助条件
4.4 一种快速求解的迭代算法
4.5 矩形窗法
4.6 参数初值问题
4.7 算例分析
4.8 本章小结
第五章 基于扩展卡尔曼滤波算法的结构物理参数时域识别研究
5.1 引言
5.2 利用扩展卡尔曼滤波算法进行结构物理参数识别
5.3 利用广义复合反演算法识别结构参数及反演地震动
5.4 本章小结
第六章 结构物理参数时域识别的试验研究
6.1 引言
6.2 振动台试验方案
6.3 振动台试验分析
6.4 结构物理参数的时域识别
6.5 本章小结
第七章 水平土层参数识别及地震动反演研究
7.1 引言
7.2 水平土层场地地震反应分析方法
7.3 谐波输入初始间断的处理办法
7.4 未知输入条件下水平土层物理参数时域识别研究
7.5 基于广义复合反演算法的水平土层物理参数识别研究
7.6 本章小结
第八章 结语与展望
结构参数识别是模型修正、结构控制、健康监测、状态评估和损伤诊断等方向的基础和支柱。这是土木工程的特点决定的，土木工程结构复杂，需要大量投资，而且需要其寿命延续到几十年、甚至上百年，对国家的建设具有深远的影响。在实际工程结构动力检测中，由于土木工程结构复杂、体积及质量大等原因限制了完备测量输入信息和输出信息，这就需要研究在未知输入、输出不完备条件下结构参数识别问题。因动力响应在时域内直接识别结构参数避免了频域参数识别时采用时-频变换引起的截断误差，能在一定程度上提高结构参数的识别精度，且基于有限元法识别的结构物理参数，能够识别有限单元的物理参数，在评估结构状态或判断损伤方面，能够更直观明了和准确进行损伤定位。因此，本文的研究工作主要针对输入未知、输出不完备情况，识别结构或水平土层的物理参数和反演基底（基岩）地震动时程。并通过大型振动台试验动力测试，来验证文中各算法和引入及提出方法的有效性和实用性。为了研究的顺利进行，利用 Fortran 编制了结构动力响应分析、结构物理参数时域识别及地震动反演的反分析、渐消记忆加权整体迭代扩展卡尔曼滤波估计以及数据处理等程序代码。现将本文的主要研究内容及结论、土木工程参数识别中存在的问题和今后工作展望进行总结。参数识别在土木工程领域的应用，国内外学者进行了大量的研究，提出了许多研究方法并获到了有价值的研究成果，但是仍然存在着许多关键的问题有待解决。（1）目前研究中采用方法均存在着不足，这也可能是出现大量研究方法的原因，需要进一步在理论上和实际应用上完善各种方法，以便应用于实际工程。（2）在实际应用中，参数识别往往面临着试验数据不完备的问题，需要完善参数识别方法，使其能够更好的为工程应用服务。（3）实际工程动力测试中，量测噪声将影响到结构参数识别精度，处理噪声的影响是参数识别方法中的一个重要环节，需要研究测量信息处理技术来提高参数识别的精度。（4）在识别精度方面，另一个重要的影响因素是测量设备，需要进一步改善现有的测量设备的测量精度和测量技术。（5）针对土木工程结构复杂、体积及重量庞大的特点，有效的激振设备是必需的，实用的激振设备需要进一步研究。（6）在土木工程结构或生命线工程结构中，合理布设测试仪器，实时监测其状态，充分发挥其功能，这也将是结构参数识别、健康监测和损伤识别所必要的。 利用系统辨识技术进行结构参数识别是近四十年的新兴学科，并迅速成为研究热点。随着科学技术及计算机技术的发展，结构参数识别在理论研究以及工程应用都得到进一步的完善，且出现了新的技术，如神经网络、遗传算法、小波变换等，这将推动结构参数识别技术的迅速前进。伴随着新兴技术的产生，以及为了更好的工程应用，今后将进一步加大这方面的研究工作。（1）基于时域与频域结构参数识别的各自优点，利用时-频结合的方法研究结构参数识别方法；（2）在强震作用下，工程结构往往进入非线性状态，结构的动力特性也将发生变化，利用结构非线性恢复力模型研究结构的非线性参数识别方法；（3）基于结构参数识别技术，研究结构损伤识别方法，应用于工程损伤定位和损伤程度确定，为工程结构的震后检测和加固提供技术支持；（4）研究生命线工程结构的参数识别方法，如桥梁结构、输电塔架、地下管网等参数识别方法研究；（5）加大参数识别技术在岩土工程领域的研究，如土层、岩土-地下结构体系、岩土-地上结构体系等参数识别和基岩地震动反演方法研究；（6）合理设计结构模型并进行大型振动台试验，来验证理论研究方法的有效性和实用性，为实际工程应用奠定理论基础。
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