基于環(huán)境振動信號的框架結構震后損傷識別

陳清軍　周成杰　楊永勝

摘要：提出了一種新的損傷指標用于框架結構的震后損傷識別.以環(huán)境振動作為激勵信號，采用小波包分解理論，利用框架結構損傷后振動信號的能量在頻域內的變化，構建損傷指標DI，并給出了損傷識別流程圖.在此基礎上，以某鋼筋混凝土框架結構為例，設定4種震后損傷工況，對框架結構進行了震后損傷識別分析，探討了不同樓層、不同類型振動信號對損傷識別效果的影響.結果表明：本文構建的損傷指標DI可以有效識別框架結構的震后損傷，損傷指標DI與損傷程度之間有近似線性的關系；基于較高樓層振動信號的損傷指標值對結構的損傷識別效果較佳；利用速度信號可獲得比加速度信號更好的識別效果.

關鍵詞：環(huán)境振動信號；小波包分解；框架結構；震后損傷識別；識別效果對比

中圖分類號：TU311.3 文獻標識碼：A

Abstract： To address the damage identification problem of frame structures after earthquakes， a new damage identification method based on the wavelet packet decomposition was proposed. The structural vibration signal under environmental vibrations was used to constitute damage indicator （DI） as follows： the vibration signal was decomposed into each frequency band with wavelet packet decomposition， then， a damage indicator was established on the basis of the energy ratio variation on frequency domain. On the above basis， a 3D finite element model of a frame structure was created by calculating DI using the proposed method. The influence on the damage identification of different floors and different types of excitation was discussed.The results show that the DI proposed can be used to identify damage effectively and the DI value is approximately linear to the damage degree. Damage identification based on vibration signal of higher floor is better than that of lower floor and the damage identification effect with velocity signals is better than acceleration signals.

Key words： environmental vibration record； wavelet packet decomposition； RC frame structure； damage identification； identification effect

我國是一個地震災害頻發(fā)的國家，城市中建筑結構密集.在高烈度地震發(fā)生后，能夠對震后災區(qū)的建筑結構進行快速有效的損傷診斷顯得非常重要.傳統(tǒng)的結構損傷識別方法，往往采用結構的自振頻率、阻尼比、振型、質量和剛度矩陣等作為損傷指標，雖然這些損傷指標理論上可以用來識別損傷，但實際工程中由于測試誤差和噪音等因素很難準確地獲得這些物理參數＼[1＼].

近年來，隨著小波包分解理論的應用，基于結構振動信號的損傷識別方法逐漸得到了重視.滕軍等＼[2＼]對高層結構的加速度信號進行小波包分解，由頻帶能量變化率指標判別出結構的損傷程度.丁幼亮等＼[3＼]對混凝土板損傷前后的動力響應進行小波包分解，由特征頻帶的能量變化識別損傷.譚冬梅等＼[4＼]對輸電塔架的結構振動信號進行小波包分解和聚類分析識別出了輸電塔架的多個損傷工況.Hae等＼[5＼]利用小波變換分解結構振動信號，根據時域內的能量分布構建損傷指標，對4層鋼框架結構進行了損傷識別分析.這些研究是通過對振動信號進行小波包分解或者小波變換得到頻域或時域內能量分布，由結構損傷前后能量分布的改變情況構建損傷指標.但在實際工程應用中存在以下兩個問題：第一，難以對大型結構施加動荷載；第二，難以保證結構損傷前后的激勵完全一致.

眾所周知，地球表面無時無刻都在作不規(guī)則的微弱振動，這種振動的產生可以認為是氣象變化、潮汐、海浪等自然力和交通運輸、動力機器、爆破沖擊等人為振源經地層介質多重反射和透射、由四面八方傳播到測試點的各種諧波集合而成，隨時間作不規(guī)則的微弱振動，可理解為橫波在場地表土層中的多重反射結果，具有平穩(wěn)隨機過程的性質＼[6＼].由此，本文探索以環(huán)境振動作為激勵信號，采用小波包分解和概率統(tǒng)計相關理論，利用框架結構損傷后振動信號的能量在頻域內的變化構建損傷指標DI，進行鋼筋混凝土框架結構的震后損傷識別分析，以避免上述的兩個缺陷.

5 結論

針對鋼筋混凝土框架結構的震后損傷識別問題，本文建立了一種基于環(huán)境振動信號的小波包分解損傷識別方法，并以某鋼筋混凝土框架結構為例，對框架結構進行了震后損傷識別分析，探討了不同樓層、不同類型振動信號對損傷識別效果的影響.通過本文的算例分析，可以得到如下初步結論：

1） 利用文中構建的損傷指標DI可以有效識別框架結構的損傷，損傷指標DI與損傷程度之間有近似線性的關系.

2） 選取不同樓層的振動信號對損傷識別效果有較大影響.基于較高樓層振動信號的損傷指標值對結構的損傷識別效果較好，建議采用結構頂層的振動信號構造損傷指標.

3） 在本文算例中，速度信號比加速度信號對損傷變化更為敏感；基于速度信號的損傷指標與損傷程度的擬合結果，較基于加速度信號的擬合結果更接近線性，識別效果更好.

參考文獻

[1]宗周紅，任偉新，阮毅.土木工程結構損傷診斷研究進展＼[J＼].土木工程學報，2003，36（5）：105-110.

ZONG Zhouhong， REN Weixin， RUAN Yi. Recent advances in research on damage diagnosis for civil engineering structures＼[J＼]. China Civil Engineering Journal， 2003， 36（5）：105-110.（In Chinese）

[2]滕軍，何春凱.高層結構震后損傷的小波包分析模糊評價方法＼[J＼].土木建筑與環(huán)境工程，2010，32（12）：469-471.

TENG Jun， HE Chunkai. Wavelet packet analysis of earthquake damage of highrise structures based on fuzzy evaluation method＼[J＼]. Journal of Civil Architectural & Environmental Engineering， 2010， 32（12）：469-471.（In Chinese）

[3]丁幼亮，李愛群，繆長青.基于小波包能量譜的結構損傷預警方法研究＼[J＼].工程力學，2006，23（8）：42-48.

DING Youliang， LI Aiqun， MIAO Changqing. Investigation on the structural damage alarming method based on wavelet packet energy spectrum＼[J＼]. Engineering Mechanics， 2006， 23（8）： 42-48.（In Chinese）

[4]譚冬梅，瞿偉廉，秦文科.基于小波包和模糊聚類的輸電塔架結構損傷診斷＼[J＼].天津大學學報，2011，44（8）：695-700.

TAN Dongmei， QU Weilian， QIN Wenke. Damage identification of transmission tower based on wavelet packet transform and fuzzy clustering ＼[J＼]. Journal of Tianjin University， 2011， 44（8）： 695-700.（In Chinese）

[5]YONG N H，KRISHNAN N K， LIGNOS D G， et al. Use of waveletbased damagesensitive features for structural damage diagnosis using strong motion data[J]. Journal of Structural Engineering， 2011，137（10）：1215-1228.

[6]中國工程建設標準化協(xié)會建筑振動專業(yè)委員會.建筑振動工程手冊＼[M＼].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002：586-588.

Branch of architectural vibration， China association for engineering construction standardization. Building vibration engineering handbook[M]. Beijing： Chinese Building Industry Press， 2002：586-588.（In Chinese）

[7]熊立紅，杜修力，陸鳴，等.5.12汶川地震中多層房屋典型震害規(guī)律研究＼[J＼].北京工業(yè)大學學報，2008，34（11）：1166-1172.

XIONG Lihong， DU Xiuli， LU Ming， et al. Damage of multistory buildings during the 2008 Wenchuan earthquake＼[J＼]. Journal of Beijing University of Technology， 2008， 34（11）：1166-1172.（In Chinese）

[8]齊岳，鄭文忠.低周反復荷載下核心高強混凝土柱抗震性能試驗研究＼[J＼] .湖南大學學報：自然科學版，2009，36（12）：6-12.

1） 利用文中構建的損傷指標DI可以有效識別框架結構的損傷，損傷指標DI與損傷程度之間有近似線性的關系.

2） 選取不同樓層的振動信號對損傷識別效果有較大影響.基于較高樓層振動信號的損傷指標值對結構的損傷識別效果較好，建議采用結構頂層的振動信號構造損傷指標.

3） 在本文算例中，速度信號比加速度信號對損傷變化更為敏感；基于速度信號的損傷指標與損傷程度的擬合結果，較基于加速度信號的擬合結果更接近線性，識別效果更好.

參考文獻

[1]宗周紅，任偉新，阮毅.土木工程結構損傷診斷研究進展＼[J＼].土木工程學報，2003，36（5）：105-110.

ZONG Zhouhong， REN Weixin， RUAN Yi. Recent advances in research on damage diagnosis for civil engineering structures＼[J＼]. China Civil Engineering Journal， 2003， 36（5）：105-110.（In Chinese）

[2]滕軍，何春凱.高層結構震后損傷的小波包分析模糊評價方法＼[J＼].土木建筑與環(huán)境工程，2010，32（12）：469-471.

TENG Jun， HE Chunkai. Wavelet packet analysis of earthquake damage of highrise structures based on fuzzy evaluation method＼[J＼]. Journal of Civil Architectural & Environmental Engineering， 2010， 32（12）：469-471.（In Chinese）

[3]丁幼亮，李愛群，繆長青.基于小波包能量譜的結構損傷預警方法研究＼[J＼].工程力學，2006，23（8）：42-48.

DING Youliang， LI Aiqun， MIAO Changqing. Investigation on the structural damage alarming method based on wavelet packet energy spectrum＼[J＼]. Engineering Mechanics， 2006， 23（8）： 42-48.（In Chinese）

[4]譚冬梅，瞿偉廉，秦文科.基于小波包和模糊聚類的輸電塔架結構損傷診斷＼[J＼].天津大學學報，2011，44（8）：695-700.

TAN Dongmei， QU Weilian， QIN Wenke. Damage identification of transmission tower based on wavelet packet transform and fuzzy clustering ＼[J＼]. Journal of Tianjin University， 2011， 44（8）： 695-700.（In Chinese）

[5]YONG N H，KRISHNAN N K， LIGNOS D G， et al. Use of waveletbased damagesensitive features for structural damage diagnosis using strong motion data[J]. Journal of Structural Engineering， 2011，137（10）：1215-1228.

[6]中國工程建設標準化協(xié)會建筑振動專業(yè)委員會.建筑振動工程手冊＼[M＼].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002：586-588.

Branch of architectural vibration， China association for engineering construction standardization. Building vibration engineering handbook[M]. Beijing： Chinese Building Industry Press， 2002：586-588.（In Chinese）

[7]熊立紅，杜修力，陸鳴，等.5.12汶川地震中多層房屋典型震害規(guī)律研究＼[J＼].北京工業(yè)大學學報，2008，34（11）：1166-1172.

XIONG Lihong， DU Xiuli， LU Ming， et al. Damage of multistory buildings during the 2008 Wenchuan earthquake＼[J＼]. Journal of Beijing University of Technology， 2008， 34（11）：1166-1172.（In Chinese）

[8]齊岳，鄭文忠.低周反復荷載下核心高強混凝土柱抗震性能試驗研究＼[J＼] .湖南大學學報：自然科學版，2009，36（12）：6-12.

1） 利用文中構建的損傷指標DI可以有效識別框架結構的損傷，損傷指標DI與損傷程度之間有近似線性的關系.

2） 選取不同樓層的振動信號對損傷識別效果有較大影響.基于較高樓層振動信號的損傷指標值對結構的損傷識別效果較好，建議采用結構頂層的振動信號構造損傷指標.

3） 在本文算例中，速度信號比加速度信號對損傷變化更為敏感；基于速度信號的損傷指標與損傷程度的擬合結果，較基于加速度信號的擬合結果更接近線性，識別效果更好.

參考文獻

[1]宗周紅，任偉新，阮毅.土木工程結構損傷診斷研究進展＼[J＼].土木工程學報，2003，36（5）：105-110.

ZONG Zhouhong， REN Weixin， RUAN Yi. Recent advances in research on damage diagnosis for civil engineering structures＼[J＼]. China Civil Engineering Journal， 2003， 36（5）：105-110.（In Chinese）

[2]滕軍，何春凱.高層結構震后損傷的小波包分析模糊評價方法＼[J＼].土木建筑與環(huán)境工程，2010，32（12）：469-471.

TENG Jun， HE Chunkai. Wavelet packet analysis of earthquake damage of highrise structures based on fuzzy evaluation method＼[J＼]. Journal of Civil Architectural & Environmental Engineering， 2010， 32（12）：469-471.（In Chinese）

[3]丁幼亮，李愛群，繆長青.基于小波包能量譜的結構損傷預警方法研究＼[J＼].工程力學，2006，23（8）：42-48.

DING Youliang， LI Aiqun， MIAO Changqing. Investigation on the structural damage alarming method based on wavelet packet energy spectrum＼[J＼]. Engineering Mechanics， 2006， 23（8）： 42-48.（In Chinese）

[4]譚冬梅，瞿偉廉，秦文科.基于小波包和模糊聚類的輸電塔架結構損傷診斷＼[J＼].天津大學學報，2011，44（8）：695-700.

TAN Dongmei， QU Weilian， QIN Wenke. Damage identification of transmission tower based on wavelet packet transform and fuzzy clustering ＼[J＼]. Journal of Tianjin University， 2011， 44（8）： 695-700.（In Chinese）

[5]YONG N H，KRISHNAN N K， LIGNOS D G， et al. Use of waveletbased damagesensitive features for structural damage diagnosis using strong motion data[J]. Journal of Structural Engineering， 2011，137（10）：1215-1228.

[6]中國工程建設標準化協(xié)會建筑振動專業(yè)委員會.建筑振動工程手冊＼[M＼].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002：586-588.

Branch of architectural vibration， China association for engineering construction standardization. Building vibration engineering handbook[M]. Beijing： Chinese Building Industry Press， 2002：586-588.（In Chinese）

[7]熊立紅，杜修力，陸鳴，等.5.12汶川地震中多層房屋典型震害規(guī)律研究＼[J＼].北京工業(yè)大學學報，2008，34（11）：1166-1172.

XIONG Lihong， DU Xiuli， LU Ming， et al. Damage of multistory buildings during the 2008 Wenchuan earthquake＼[J＼]. Journal of Beijing University of Technology， 2008， 34（11）：1166-1172.（In Chinese）

[8]齊岳，鄭文忠.低周反復荷載下核心高強混凝土柱抗震性能試驗研究＼[J＼] .湖南大學學報：自然科學版，2009，36（12）：6-12.