基于振型曲率演化法的RC框架结构地震损伤识别.pdf
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1、第43卷第3期2023年6 月文章编号:10 0 0-130 1(2 0 2 3)0 3-0 2 0 8-11地震工程与工程振动EARTHQUAKE ENGINEERINGANDENGINEERINGDYNAMICSVol.43 No.3Jun.2023D0I:10.13197/j.eeed.2023.0321基于振型曲率演化法的RC框架结构地震损伤识别周荣环,康帅1,王自法1,2,3,贺东青1(1.河南大学土木建筑学院,河南开封47 50 0 4;2.中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动重点实验室,黑龙江哈尔滨150 0 8 0;3.地震灾害防治应急管理部重点实验室,黑龙江哈尔滨150
2、 0 8 0)摘要:为快速识别地震导致的框架结构损伤,采用一种新的损伤识别方法,即振型曲率演化法。该方法采用S变换对结构顶部的加速度进行分析,进而得出地震前与地震期间的两个重要时刻,然后通过计算这两个时刻的振型曲率差识别结构薄弱层位置。为验证该方法的合理性和有效性,以6 层3跨RC框架结构为例,在不同地震波和不同调幅工况下,分别对比振型曲率演化法与单参数层间位移角、双参数损伤指数两种损伤指标识别的结构薄弱层位置。在此基础上进一步研究了振型曲率差与两种损伤指标之间的相关性,并建立了线性关联模型来识别薄弱层损伤程度。结果表明:振型曲率演化法与两种损伤指标在不同地震工况作用下识别的薄弱层有很好的一致
3、性,说明该方法能够准确识别结构薄弱层位置。振型曲率差与两种损伤指标之间的拟合公式的相关系数均在0.8 以上,相关性都很高,通过分析这种相关性,可以利用振型曲率差获得结构薄弱层的损伤程度。关键词:振型曲率;S变换;损伤指标;地震损伤;损伤识别中图分类号:TU375文献标识码:ASeismic damage identification of RC frame structures based onthe mode curvature evolution methodZHOU Ronghuan,KANG Shuail,WANG Zifa-,HE Dongqing(1.School of Civil
4、 Engineering and Architecture,Henan University,Kaifeng 475004,China;2.Key Laboratory of Earthquake Engineeringand Engineering Vibration,Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration,Harbin 150080,China;3.Key Laboratory of Earthquake Disaster Mitigation,Ministry of Emergency Mana
5、gement,Harbin 150080,China)Abstract:To quickly identify the damage to frame structures caused by earthquakes,a new damage identificationmethod,namely the mode curvature evolution method(CEM),was adopted in this paper.In this method,S-transform was used to analyze the acceleration response of the top
6、 of the structure,then two important momentsbefore and during the earthquake were obtained.The position of the weak layer of the structure was identified bycalculating the curvature difference of the mode shapes at the two moments.In order to verify the rationality andeffectiveness of this method,a
7、6-story and 3-span RC frame structure was taken as an example.Under differentseismic waves and amplitude modulation conditions,the weak structural layers identified by CEM were comparedwith those identified by single-parameter inter-story drift ratio and double-parameter damage index.On this basis,t
8、he correlation between the mode shape curvature difference and the two damage indexes were further studied,anda linear correlation model was established to identify the damage degree of the weak layer.The results show that thecorrelation between the mode shape curvature difference and the two damage
9、 indexes were further studied,and alinear correlation model was established to identify the damage degree of the weak layer.The results show that theCEM agrees with the weak layers identified by the two damage indexes under different seismic conditions,indicating收稿日期:2 0 2 2-0 4-2 6;修回日期:2 0 2 2-0 6
10、-0 2基金项目:国家自然科学基金面上项目(5197 8 6 34);河南省高等学校重点科研项目(2 1A560005,22A560009)Supported by:National Natural Science Foundation of China(51978634);Key Scientific Research Projects of University in Henan Province(21A560005,22A560009)作者简介:周荣环(1996),男,硕士研究生,主要从事结构损伤识别研究。E-mail:10 47 532 0 0 7 0 2 h e n u.e d u.
11、c n通讯作者:康帅(198 3一),男,副教授,博士,主要从事结构抗震方面的研究。E-mail:第3期that the method can accurately identify the location of weak structural layers.The correlation coefficient of the fittingformula between the mode curvature difference and the two damage indexes is above O.8,and the correlation is veryhigh.By analyz
12、ing this correlation,the damage degree of the weak layer of the structure can be obtained by usingthe mode curvature difference.Key words:mode curvature;S-transform;damage index;earthquake damage;damage identification周荣环,等:基于振型曲率演化法的RC框架结构地震损伤识别2090引言地震作为一种不可避免的自然灾害,会给人类社会带来较大的影响,特别是强震的发生,会引起大范围的房屋破
13、坏和倒塌,造成严重的经济损失和大量的人员伤亡。在地震发生后快速准确地评估结构的损伤情况,有助于建筑结构功能的快速恢复,在灾后救援工作中发挥着至关重要的作用。结构在地震过程中发生的损伤必然导致某些结构特征参量发生变化,因此,基于损伤特征参量的变化可以识别结构损伤1。文献2-4表明目前振型曲率是较为理想的损伤特征参量,不仅能够反映结构局部特征的变化,而且对损伤位置和程度有着很好的灵敏性和指示性5。PANDEY等6 最早提出将振型曲率用于简支梁和悬臂梁的损伤识别,这为使用振型曲率识别损伤奠定了基础。之后研究人员将振型曲率用于更复杂的框架结构损伤识别,康灵果7 对1/5缩尺的12 层剪力墙结构进行振动
14、台试验,表明基于振型曲率差的损伤识别方法能准确识别在地震作用下结构的损伤位置及损伤程度。目前,识别地震造成的结构损伤很难在地震过程中在线实现,通常只能通过现场调查分析完成,并不能充分反映结构损伤的过程和细节8。随着结构损伤识别理论和现代信号分析技术的发展,通过对结构非平稳响应信号进行时频分析获得结构的时变特征参数9来判断损伤的方法也在不断成熟和发展。S变换10 作为时频分析的一种方法,能同时在时域和频域内观察信号的演变,提供信号的局部时频域特征,因而,它能分析地震产生的加速度等非平稳信号1。PICOZZI等12 在2 0 0 9 年拉奎拉地震后创新性地用S变换研究纳韦利市政厅的非线性行为。DI
15、TOMMASO等13提出一种基于S变换的带通滤波器,用于研究结构加速度信号的特性,并利用该特性识别结构损伤。PONZO等14 应用上述带通滤波器,并通过分析地震过程中不同时刻振型曲率的变化来识别结构损伤。DITOMMASO等15通过改进上述方法,基于监测整个地震阶段(地震前、地震期间和地震后)结构振型曲率的变化,提出了一种对框架结构在强震作用下的损伤进行定位的方法,之后又对该方法进行升级16,提出了振型曲率演化法,将原方法中的3个步骤数减少到2 个步骤数(地震前和地震期间),可以更准确地识别结构的薄弱层,并减少损伤识别所需的时间和结果的不确定性。结构损伤识别需要建立损伤特征参量与真实损伤之间的
16、映射关系17,地震工程界提出了多种损伤模型用于量化结构的真实地震损伤18,其中,单参数层间位移角损伤指标形式简单也较容易得到,目前国内外相关规范仍然采用最大层间位移角作为结构震后损伤的判断依据19。地震作用下结构不仅会产生变形,而且会经历能量耗散的过程,两者都会对结构造成不同程度的损伤,综合考虑不同参数的影响进行损伤评估会更加准确。PARK等2 0 提出了适用于钢筋混凝土梁柱构件的最大变形和累积滞回耗能线性组合的双参数损伤模型,以及基于耗能比率的结构整体损伤模型。徐国萍等2 1借鉴Pushover分析和混凝土构件损伤评估的基本思想,用Park-Ang损伤模型计算结构各层的损伤指标,极大地提高了
17、计算效率。本文以6 层RC框架结构为例,采用结合S变换和振型曲率差的振型曲率演化法,针对单条地震波6 次调幅工况和7 条地震波单一调幅工况,对结构薄弱层位置进行损伤识别,并分别与广泛应用的单参数层间位移角和普遍认可的双参数损伤指数所计算得到的结构薄弱层位置进行对比,以验证该损伤识别方法的准确性和有效性。并进一步探索振型曲率差与两种损伤指标之间的相关性,以便通过振型曲率获得结构薄弱层的损伤程度。1#振型曲率演化法1.1基于S变换的滤波器地震等非平稳信号的结构损伤识别研究中,许多时频分析方法被应用。S变换是在短时傅里叶变换和210连续小波变换的基础上发展起来的,在继承二者优点的同时也改善了各自的缺
18、陷2 2,S变换中频率的倒数决定着高斯窗尺度的大小,具备小波变换多分辨的优点,并且存在相位因子,保留了每个频率的绝对相位特征,这是小波变换所不具备的特性,同时S变换和傅里叶变换一样具备无损可逆的特性,这些因素决定了S变换非常适合处理非平稳信号2 3。为从加速度信号中检索结构的动态特性,需要定义滤波矩阵,以跟踪结构选定振动模式的变化。DITOMMASO等13通过在S变换上选择与所选采集信号相关的几个点,自动建立滤波矩阵的时频域,开发了一种新的带通滤波器,用于提取被监测结构的动态特性,可以跟踪本征频率和结构特征参数随时间的演变。从数学角度来看,带通滤波器可以描述为:(1)式中:S(t,f)为信号h
19、(t)的S变换;G(t,J)为滤波矩阵;h(t)为滤波信号。1.2振型曲率演化法损伤识别过程基于S变换的带通滤波器将结构在强震过程的非线性行为假设为在短时间间隔内的线性行为,克服了由于线性时不变假设而产生的限制,可以在强震等非线性行为阶段分离随时间变化的基本振型,进而可以得到在地震过程中随时间变化的振型曲率,这使得通过评估振型曲率随时间的演化来评估结构的薄弱层成为可能。DITOMMASO等16 提出通过评估结构在地震前与地震期间某个重要时刻的振型曲率的变化来定位结构损伤。损伤定位过程(PDL)包括以下几个步骤:1)通过分析结构顶层的相对加速度记录,识别结构在时频域的基频(图1);2)定义滤波矩
20、阵,使用带通滤波器,评估被监测结构的基频随时间的变化;3)将滤波矩阵与各楼层记录信号的S变换沿同一方向进行卷积;4)评估结构基本振型和相关振型曲率随时间的变化;5)选择2 个不同的时间点(地震前一般点A和最小基频点B),并评估它们之间的振型曲率差。2(s/叫)/地震工程与工程振动h(t)=(-S(t,f)G(t,)dt)2-d f顶层相对加速度信号第43卷-20543AB1020130S变换4050100图1显示了顶层相对加速度记录,以及通过使用上述PDL提取与受监测结构基本振动模式相关信号的归一化S变换。通过分析S变换,以跟踪结构基频的演变。A点在结构响应的线性阶段,是地震前的一般时刻(受监
21、测结构的静止行为期间)。B点在结构响应的非线性阶段,是强震阶段建筑物显示的最小基频的时刻。1.3振型曲率差的计算在实际操作过程中振型曲率往往无法直接测出,通常方法是通过布置在结构上的传感器获得测点处的位移信息,然后,用中心差分法近似的算出结构的振型曲率2 4。为了识别结构在地震后薄弱层位置,将结构按层离散成多个单元,那么一个n层结构在t时刻第i层的振型曲率表达式如式(2):10图1顶层相对加速度信号归一化S变换以及时间点A和B的选择示意图Fig.1 The normalized S-transform of the top-level relative acceleration signal
22、andthe selection diagram of time points A and B2030时间/s4050第3期式中:M(i)为弯矩;EI(i)为抗弯刚度;h为结构层高;W(i-1)为i-1层的位移值;W(i)为i层的位移值;W(i+1)为i+1层的位移值。对于结构首层和顶层的振型曲率的计算如式(3)2 5:首层即i=1时,顶层即i=n时,考虑到振型曲率在地震阶段会随时间变化,将结构在地震过程中的某个时刻B与结构在地震前某个时刻A的振型曲率做差,即:(4)式中:W为在A时刻结构的振型曲率;W为在B时刻结构的振型曲率。对于存在损伤的位置,其振型曲率差曲线会存在突变点,该突变点称为振型
23、曲率差奇异点,可以利用该突变点的位置判断结构损伤的位置,利用该突变点的峰值判断结构损伤的程度。2丝结构损伤评价模型结构损伤识别的实质是建立损伤特征参量与真实损伤之间的映射关系,并通过推理分析计算实现结构损伤识别的目的。本文已经使用对结构损伤较为敏感的振型曲率作为损伤特征参量,然而,选择什么样的物理量对结构在地震作用下的破坏程度进行定量的描述,不同学者分别给出了基于变形的单参数评估方法以及基于变形和累积耗能的双参数评价方法2 6 2.1单参数层间位移角模型地震作用下RC框架结构进人弹塑性状态后,位移的增长速度远大于力的增长速度,结构甚至出现承载力退化的现象,此时基于位移来评估结构的损伤是比较合理
24、的2 7。对于在地震作用下侧向变形为剪切型的框架结构,层间位移角最大的楼层往往也是损伤最大的楼层(薄弱层)2 8。为了清楚描述结构的损伤情况,定义各层层间位移角0,即:(5)H,式中:,为第i层层间位移;H,为第i层层高。2.2双参数损伤指数模型由于单参数层间位移角模型无法说明使结构产生相同位移时往复循环次数的影响,会导致评估结果有偏差,因此,考虑不同参数的影响进行损伤评估更为准确2 9。PARK-ANG 等2 0 首先提出了基于变形和累积滞回耗能线性组合的地震损伤模型,该模型合理地描述了结构构件层次的损伤30。对于结构楼层损伤,徐国萍等2 1通过楼层各构件的恢复力参数得到结构的层间损伤准则。
25、并定义了结构层间损伤指数:(6)DXicu式中:Xim为地震作用下层间最大位移;Xicu是层间极限位移;Vi,为层间屈服剪力;Ei为层间累积滞回耗能;为耗能因子,一般在0 0.8 5之间变化,但认为=0.15时结果比较稳定。3数值算例3.1RC框架结构的非线性数值模型以6 层RC框架结构为例,取其中一榻框架进行分析,结构立面如图2 所示。设计参数:层高3.3m,主体总高度19.8 m,中跨跨度3m,边跨跨度6 m,共3跨。恒荷载5kN/m,活荷载2 kN/m,柱、梁混凝土强度等级C30,纵筋HRB400。抗震设防烈度为8 度,场地类别I类,设计地震分组第二组,其余梁柱截面及轴压周荣环,等:基于
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