考虑高频底座力天平试验的双耦合系统的风振实现方法技术方案

本发明专利技术公开了一种考虑高频底座力天平试验的双耦合系统的风振实现方法，它首先基于复模态理论的二阶盲辨识技术实现对耦合测量信号的解耦，再采用基于全气动力模拟的贝叶斯谱密度方法对分离信号进行可靠的参数识别，据此得到了BMS的分离/混合矩阵、固有频率和阻尼比，从而实现对畸变气动力信号的修正；对于结构原型系统的耦合问题，本发明专利技术在动力校准的基础上，使用谐波激励法建立了考虑超高层建筑结构三维耦合效应影响的风效应和等效静力风荷载计算方法，在一定程度上补充和完善了HFFB自身存在的不足，使所得结果更加真实、准确。

【技术实现步骤摘要】
考虑高频底座力天平试验的双耦合系统的风振实现方法
本专利技术涉及试验技术改进领域，特别涉及一种考虑高频底座力天平试验的双耦合系统的风振实现方法。
技术介绍
高频底座力天平(HFFB)技术是评估超高层建筑风效应的主要技术手段之一。大多数超高层建筑具有前两阶侧移模态频率非常接近的特点，在风荷载作用下可能会产生显著的模态耦合效应(MCE)。对于进行风洞HFFB试验的天平模型系统(BMS)，MCE会加大气动力畸变信号修正的难度；而对于原型的结构风振分析，不考虑MCE的影响可能会显著影响结构风振响应和风致荷载的计算结果。对于气动力修正领域的已有处理方法主要有：①未考虑模态耦合效应的单模态修正；②忽略风和结构的相互作用效应(WSI)的固定振型修正；③根据气动力特征进行粗略估计的直线近似方法。近期亦有专利技术专利提出了基于耦合信号分离的信号修正方法，但该方法在信号识别中假定气动力在固有频率附近的双对数坐标下呈斜直线。这一假设在漩涡脱落频率远离BMS固有频率时成立，而当漩涡脱落频率接近或等于BMS固有频率时不再满足斜直线假定。由此方法识别的模态参数与真实值可能存在一定的误差。另一个问题是在根据HFFB试验数据进行结构风振分析时，由于存在模态耦合问题，传统平方和开方(SRSS)方法忽略了模态之间的相关性，会低估实际结构的动力响应，因此必须采用考虑模态耦合效应的完全二次型组合(CQC)方法。较早将CQC方法用于结构分析是在单一方向地震波作用下，根据地震谱的具体特征，采用模态相关系数来描述结构的模态耦合效应。在早期硬件发展水平欠佳的时候，这种简化具有一定积极意义，且对于超高层建筑的抗震分析在精度上还是有一定保证的，但由于它采用了近似假定，并非是严格意义上的CQC方法，只能称之为用于结构抗震分析的简化CQC(SCQC)方法。对于结构风振分析，虽然采用SRSS方法可能会低估结构的风振响应，但将SCQC用于结构的风振分析则可能会显著高估结构的风振响应，这是因为SCQC是基于单一地震波激励的推导结果，其模型本质上是个单输入多输出系统，但这种情况下的各阶模态广义力之间是严格相关的，都和输入的地震波直接相关，由此才产生了地震反应谱分析方法。结构的风荷载要远比地震荷载复杂，即便是对于采用HFFB技术的三维结构风振分析，其广义力取决于结构基础的两个气动倾覆弯矩和扭矩，这三者之间的相关性的强弱取决于建筑外形、风速风向和周边建筑的干扰影响，他们之间不可能会出现完全相关的情况，采用SCQC可能会导致给出偏于保守的结果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种考虑高频底座力天平试验的双耦合系统的风振实现方法。本专利技术的目的通过以下的技术方案实现：一种考虑高频底座力天平试验的双耦合系统的风振实现方法，所谓的双耦合系统是指采用HFFB试验进行超高层建筑结构风效应研究时，可能会出现的天平模型系统和结构原型系统模态耦合问题。对于BMS的模态耦合抖振共振影响，本专利技术提出了一个具有普适性的动力校准，它首先基于复模态理论的二阶盲辨识(SOBI)技术实现对耦合测量信号的解耦，再采用基于全气动力模拟的贝叶斯谱密度方法对分离信号进行可靠的参数识别，据此得到了BMS测试信号的分离/混合矩阵、固有频率和阻尼比，从而实现对畸变测量气动力信号的修正(动力校准)。对于结构原型系统的耦合问题，本专利技术在动力校准的基础上，使用谐波激励法(HEM)建立了考虑超高层建筑结构三维耦合效应影响的风效应和等效静力风荷载计算方法，在一定程度上补充和完善了HFFB自身存在的不足，使所得结果更加真实、准确。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：(1)基于全气动力模拟的贝叶斯谱密度方法可以有效模拟气动力，在此基础上得到的模态参数更加准确，尤其对跨共振区而言。同时该方法可以对识别结果的不确定性进行评估。(2)本专利技术在风振分析中考虑了三维耦合效应，使所得的基底弯矩响应和等效静力风荷载更加准确。附图说明图1为实施例双耦合系统工作流程图。图2为考虑气动力特征的贝叶斯谱密度方法流程图。图3为气动力公式拟合图，通过具体事例验证了考虑气动力特征的贝叶斯谱密度方法中假定公式的可靠性；图3(a)顺风向；图3(b)横风向。图4为模态坐标下修正效果图，图4(a)q1；图4(b)q2；由图可见，分离信号仅为单峰值，表明该方法对耦合信号进行了有效解耦；通过分离后信号修正前后的对比，可以看出对分离信号的修正效果是比较理想的。图5为物理坐标下修正效果图；图5(a)Mx；图5(b)My；图5(c)Mz；由图可见，测量信号为耦合信号，而修正后信号将双峰或单峰有效去除，表明对信号进行了有效修正。图6为修正与否对等效基础荷载的影响；图6(a)Mx；图6(b)My；图6(c)Mz。图7为模态耦合与否对等效基础荷载的影响；图7(a)Mx；图7(b)My；图7(c)Mz。具体实施方式下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1一种用于高频底座天平试验的双耦合系统及其风振实现方法，如图1，该双耦合系统包含天平模型系统和结构原型系统两个耦合系统，该双系统的风振实现方法包括以下步骤：步骤1：由风洞试验测量得到电压信号；步骤2：经静力校准得到初始基底荷载信号；步骤3：通过动力校准，得到最终基底荷载信号；步骤4：将校准后信号输出，得到采集信号；步骤5：将采集信号缩尺变换，得到原型的基础荷载；步骤6：由模态分析结果求得模态分配系数矩阵；步骤7：结合模态分配系数矩阵，得到基底气动力；步骤8：得到基底弯矩和扭矩响应；步骤9：得到等效静力风荷载。进一步的，步骤2中经静力校准得到初始基底荷载信号；静力校准通常在出厂前进行的，用来确定各分量与相应传感输出的模拟信号之间的转换矩阵，最终通过转换矩阵实现静力解耦；进一步的，步骤3的通过动力校准得到最终基底荷载信号的具体过程是：S3-1：对测量信号x(t)进行复数化处理，得到复信号S3-2：对复信号进行白化得到白化后信号S3-3：寻求正交矩阵V，使得进而得到分离后的复信号S3-4：在模态坐标下，对分离信号进行固有频率和模态阻尼比识别；S3-5：根据识别得到的参数，对分离信号进行修正；S3-6：由修正后的分离信号逆推，得到修正后的气动荷载。设x(t)＝[Mx(t)My(t)Mz(t)]T为HFFB观测得到的模型基础气动倾覆弯矩和扭矩构成的向量信号，可视为由一组独立的源信号qm(t)混合而成：x(t)＝Φmqm(t)(1)式中Φm为混合矩阵，相当于结构动力分析中的振型矩阵，通常假定其列满秩可逆；qm(t)则为天平模型系统的主坐标函数。可采用如下方法对x(t)对进行分离得到源信号qm(t)：为适应BMS存在可能的非比例阻尼情况，先采用Hilbert变换方法对x(t)进行复数化处理，在此基础上对复信号的协方差矩阵：进行特征值分解，得到相应的特征向量矩阵E和对角阵特征值D，并由此得到所谓的白化矩阵W为：W＝ED-1/2(3)由白化矩阵W对复信号进行主成分分解，得到白化后信号：满足为单位阵。与式(1)类似，复信号可以表示为将上式代入式(4)得到：其中，相应其时延相关函数矩阵为：由于中各个元素相互独立，且设其方差为1；而白化后信号中各元素正交归一，故V必为正交归本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.考虑高频底座力天平试验的双耦合系统的风振实现方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：由风洞试验测量得到电压信号；S2：经静力校准得到初始基底荷载信号；S3：通过动力校准，得到最终基底荷载信号；S4：将校准后信号输出，得到采集信号；S5：将采集信号缩尺变换，得到原型的基础荷载；S6：由模态分析结果求得模态分配系数矩阵；S7：结合模态分配系数矩阵，得到基底气动力；S8：得到基底弯矩和扭矩响应；S9：得到等效静力风荷载。

【技术特征摘要】
1.考虑高频底座力天平试验的双耦合系统的风振实现方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：由风洞试验测量得到电压信号；S2：经静力校准得到初始基底荷载信号；S3：通过动力校准，得到最终基底荷载信号；S4：将校准后信号输出，得到采集信号；S5：将采集信号缩尺变换，得到原型的基础荷载；S6：由模态分析结果求得模态分配系数矩阵；S7：结合模态分配系数矩阵，得到基底气动力；S8：得到基底弯矩和扭矩响应；S9：得到等效静力风荷载。2.根据权利要求1所述的考虑高频底座力天平试验的双耦合系统的风振实现方法，其特征在于，步骤S3的通过动力校准得到最终基底荷载信号的过程包括：S3-1：对测量信号x(t)进行复数化处理，得到复信号S3-2：对复信号进行白化得到白化后信号S3-3：寻求正交矩阵V，使得进而得到分离后的复信号S3-4：在模态坐标下，对分离信号进行固有频率和模态阻尼比识别；S3-5：根据识别得到的参数，对分离信号进行修正；S3-6：由修正后的分离信号逆推，得到修正后的气动荷载；具体的，设x(t)＝[Mx(t)My(t)Mz(t)]T为HFFB观测得到的模型基础气动倾覆弯矩和扭矩构成的向量信号，可视为由一组独立的源信号qm(t)混合而成：x(t)＝Φmqm(t)(1)式中Φm为混合矩阵，相当于结构动力分析中的振型矩阵，假定其列满秩可逆；qm(t)则为天平模型系统的主坐标函数；可采用如下方法对x(t)对进行分离得到源信号qm(t)：先采用Hilbert变换方法对x(t)进行复数化处理，在此基础上对复信号的协方差矩阵：进行特征值分解，得到相应的特征向量矩阵E和对角阵特征值D，并由此得到所谓的白化矩阵W为：W＝ED-1/2(3)由白化矩阵W对复信号进行主成分分解，得到白化后信号：满足为单位阵；与式(1)类似，复信号可以表示为将上式代入式(4)得到：其中，相应其时延相关函数矩阵为：由于中各个元素相互独立，且设其方差为1；而白化后信号中各元素正交归一，故V必为正交归一阵；关于正交矩阵V的求解，可采用JAD方法；在得到正交矩阵V后，可得以下混合矩阵和分离矩阵：由分离矩阵可实现对信号的分离得到解耦的源信号：考虑到气动力的具体特征，对于独立的主坐标信号，可采用考虑气动力特征的贝叶斯谱密度方法进行参数识别获取各主坐标下的固有频率和模态阻尼比；根据得到的分离矩阵及由各个解耦源信号识别得到的模态参数，可以得到模态坐标下修正后的模型基底气动力的功率谱密度矩阵为：式中，h(f)为各主坐标的频率响应函数hi(f)构成的复对角矩阵，上标H表示矩阵的Hermite转置；由分离信号逆推，得到修正后的气动荷载，根据模态坐标与物理坐标之间的转换关系，得到：3.根据权利要求2所述的考虑高频底座力天平试验的双耦合系统的风振实现方法，其特征在于，步骤S3-3采用曲线拟合方法对分离信号进行模态参数识别，包括如下步骤：S3-3-1：计算分离信号q(t)的功率谱密度；S3-3-2：计算含有待定参数的分离信号q(t)的功率谱密度Sq(fk)，S3-3-3：计算考虑噪声影响的荷载响应Y(t)功率谱密度SY,N(fk)的期望E[SY,N(fk)|θ]，E[SY,N(fk)|θ]＝E[Sq,N(fk)|θ]+Sη；S3-3-4：计算SY,N(fk)的概率密度函数p(SY,N(fk)|θ)；S3-3-5：计算联合概率密度分布函数S3-3-6：计算模态参数的后验概率密度函数S3-3-7：求解J(θ)的最小值，得到待定参数及相应参数的不确定性估计；具体的，考虑单自由度线性振动系统，其标准化的动力学方程为：式中qm(t)为由测得基底位移换算得到的模型顶部位移响应；mm为MBS的模态质量；p(t)为作用在结构上的随机荷载激励；不同风速下的广义气动荷载的功率谱密度的特征，其表达式如下：式中ε、β、γ和λ表示气动力的四个待定参数；当β、γ和λ均为0时，以上即为白噪声激励，当γ和λ均为0时，式(12)退化为Sp(f)＝εfβ，在双对数坐标下呈一条斜直线；假设测得的荷载响应为：Y(t)＝qj(t)+η(t)(14)η(t)是测量噪声和模型误差等造成的系统实际响应和系统测量响应之间的预测误差，且假定为零均值的符合正态分布的有限带宽白噪声，其方差和功率谱密度分布为和Sη，满足以下关系：Δt是测量时的采样时间间隔；Y(t)功率谱密度SY,N(fk)的期望为：E[SY,N(fk)|θ]＝E[Sq,N(fk)|θ]+Sη(16)式中，fk＝kΔf，k＝0,1,...,int(N/2)，int表示取实数的整数部分，T为采样时间；θ是需要识别的模态参数，包括结构自振频率f0,j，阻尼比ζj，待定参数中ε、β、γ和λ以及预测误差谱密度Sη；当N足够大时，可以证明：根据随机振动理论，可以得到方程(11)的响应为：对于平稳过程，在特定的频率区间段，SY,N(fk)的概率分布可以近似为Chi-square分布，其概率密度函数表示为：当k1≠k2时，与在同样的频率区间段互不相关，因而其联合概率密度分布函数可表示为：为一合理的近似频率区间段，该区间段通常取在结构响应功率谱峰值附近的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：张乐乐，谢壮宁，余先锋，石碧青，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44