非平穩(wěn)信號處理方法的改進及在地震工程中的應(yīng)用研究.pdf

1、自上世紀八十年代以來,信號處理進入了前所未有的快速發(fā)展期,新興的理論和方法不斷涌現(xiàn)。作為普遍的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用工具,信號處理同其他學(xué)科交叉融合的趨勢日益明顯,并在許多應(yīng)用領(lǐng)域由不同的信號處理方法形成了傳統(tǒng)的優(yōu)勢地位。但非平穩(wěn)信號處理仍是目前所面臨的重要問題之一,其難點在于如何協(xié)調(diào)好精度和分辨率這一對矛盾。
　　 在土木工程和地震工程中,振動信號處理是信號處理技術(shù)最典型的應(yīng)用之一,其主要目的即是從信號中盡可能地提取完備的、具有實際物

2、理意義的信息以滿足科研和應(yīng)用的需要。然而,現(xiàn)實中的信號大多是非線性、非平穩(wěn)的,并且數(shù)據(jù)長度有限,這使得分析處理此類信號成為一項復(fù)雜的工作。特別地,地震動和結(jié)構(gòu)響應(yīng)是地震工程中兩種常見的振動信號形式,由于兩者及其對應(yīng)的系統(tǒng)(結(jié)構(gòu))的特性存在一定的差異,使得與之密切相關(guān)的兩方面應(yīng)用--地震動輸入研究和結(jié)構(gòu)損傷識別又對信號處理提出了不同的要求。
　　 在地震動輸入研究方面,人們已經(jīng)認識到除傳統(tǒng)三要素外強度和頻率非平穩(wěn)特性同樣是地震動的

3、重要特性,而瞬時譜被認為是描述上述非平穩(wěn)特性的有效的概念。雖然已有不少信號處理方法被用于地震動的瞬時譜估計,但一直未能解決好精度和分辨率的矛盾,而在此基礎(chǔ)上的地震動瞬時譜的模型化研究則更是空白。因此,尋求有效的信號處理方法用于地震動瞬時譜的模型化研究,是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計和分析對地震動輸入研究提出的迫切需求。
　　 在結(jié)構(gòu)損傷識別方面,基于振動的損傷識別在過去十年里一直是研究熱點,針對已有方法的不足,研究者在相繼提出一些改進措施的同時

4、,近年來也逐漸將注意力集中到通過結(jié)構(gòu)振動信號完備信息的提取來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷識別,這些研究為基于振動的結(jié)構(gòu)損傷識別提供了一個新思路。顯然,要實現(xiàn)這一思路就要求信號處理方法能夠高效、實時地從結(jié)構(gòu)振動(反應(yīng))信號中提取完備信息,并能據(jù)此對結(jié)構(gòu)的性能(狀態(tài))做出準確的評判和推斷。
　　 為此,本文對非平穩(wěn)信號處理方法及其在地震動非平穩(wěn)特性和結(jié)構(gòu)損傷識別中的應(yīng)用展開了研究,主要工作和取得的創(chuàng)新成果可歸納為以下三個方面:
　　 1.非

5、平穩(wěn)信號處理方法
　　 首先,提出了三種改進的參數(shù)化方法,不僅解決了現(xiàn)有方法難以協(xié)調(diào)好精度和分辨率這一對矛盾的難題,而且也為地震動瞬時譜的模型化研究奠定了基礎(chǔ)；其次,提出了基于EMD和VARMA模型的改進方法,由該方法所得 Hilbert譜不僅更具物理意義而且分辨率和可讀性更好。
　　 2.地震動的非平穩(wěn)特性及仿真方法
　　 采用兩種強度包線模型研究了地震動強度非平穩(wěn)特性,基于所收集的翔實的(5700余條)強震記

6、錄分析了強度包線參數(shù)的多維相關(guān)性及衰減規(guī)律,并給出了強度包線參數(shù)的設(shè)計取值建議；提出了指數(shù)衰減曲線形式的地震動瞬時頻率模型,分析了瞬時頻率參數(shù)的多維相關(guān)性及衰減規(guī)律,并給出了設(shè)計取值建議；提出了時頻域彼此獨立的函數(shù)乘積形式的地震動瞬時譜模型,為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計和分析用地震動輸入的選擇提供了一個重要的參考指標,為同時考慮強度和頻率非平穩(wěn)特性的地震動仿真與合成奠定了基礎(chǔ)；提出了基于改進信號處理方法及模型化瞬時譜的地震動合成與仿真方法,為結(jié)構(gòu)抗震

7、設(shè)計和分析提供了更合理的地震動輸入。
　　 3.結(jié)構(gòu)損傷識別
　　 基于振動信號完備信息提取的思路,提出了三種改進的結(jié)構(gòu)損傷識別方法,由于改進方法采用了具有時變特性的損傷指標,因此不僅具有較好的適用性、敏感性和抗噪性,而且解決了現(xiàn)有常規(guī)方法無法對結(jié)構(gòu)損傷(包括多處損傷)的發(fā)生時間、先后次序、嚴重程度及累積發(fā)展過程等細節(jié)進行描述的難題。
　　 論文以信號處理為紐帶,將地震動輸入和結(jié)構(gòu)損傷識別這兩個地震工程中看似不相