一种震后混凝土拱坝结构损伤程度快速递推辨识方法技术

本发明专利技术公开了一种震后混凝土拱坝结构损伤程度快速递推辨识方法，包括：获取混凝土拱坝各区域典型测点结构加速度响应；构建带刚度参数的混凝土坝结构状态空间模型；利用粒子滤波递推辨识法在含有非确定性因素的数据中估计相关结构参数；将最小二乘法与状态空间理论相结合，建立结构状态向量粒子滤波递推模型；根据系统结构状态向量的先验概率分布，在状态空间内形成一组随机样本的集合，基于实时获得的混凝土坝观测加速度响应对粒子及其权重进行更新修正，得到混凝土坝各区域刚度参数相对系数的递推辨识结果，从而实现震后混凝土拱坝损伤程度快速递推辨识。本发明专利技术方法能够降低不确定性因素对结构损伤识别的影响，具有良好的精度和鲁棒性。精度和鲁棒性。精度和鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种震后混凝土拱坝结构损伤程度快速递推辨识方法


[0001]本专利技术涉及一中结构损伤判定方法，尤其涉及一种震后混凝土拱坝结构损伤程度识别方法。

技术介绍

[0002]我国西南地区属于地震高发地带，这一地区相继建成一系列混凝土拱坝工程，地震荷载对混凝土拱坝结构可能存在一定的破坏作用，这会降低大坝的承载力，国内外已有多座拱坝在地震荷载作用后出现损伤或破坏，结构损伤状态是评价结构安全的重要因素。利用地震荷载下混凝土拱坝结构动力响应，开展结构损伤程度识别，对于及时掌握大坝安全状态具有重要意义。然而，实测动力响应数据的不确定性和理论建模的不确定性会影响结构损伤识别精度，甚至引起误判。因此，需要研究和降低不确定性因素对结构损伤程度的影响。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：针对上述现有技术，提出一种考虑不确定性因素的震后混凝土拱坝结构损伤程度快速递推辨识方法，提高混凝土坝损伤程度辨识精度。
[0004]技术方案：一种震后混凝土拱坝结构损伤程度快速递推辨识方法，包括：
[0005]S1：将混凝土拱坝分为若干区域，在各区域布置加速度传感器，利用加速度传感器获得地震作用下混凝土拱坝不同区域典型测点的加速度响应；
[0006]S2：将结构状态空间理论和结构动力学方程相结合，构建带刚度参数的混凝土拱坝结构动力状态空间模型；
[0007]S3：初始化结构状态向量样本粒子，并生成初始状态粒子概率分布；
[0008]S4：计算未知动力输入荷载；
[0009]S5：结构状态向量样本粒子赋权重；
[0010]S6：重采样判定并估计结构状态向量；
[0011]S7：更新下一时刻先验概率密度，重复S4
‑
S6步骤至时间步结束。
[0012]进一步的，所述S1中，根据混凝土拱坝震后常见损伤位置分布特点进行区域划分。
[0013]进一步的，所述S2具体包括：
[0014]S21：设混凝土拱坝各区域的刚度参数相互独立，将刚度参数相对系数引入到结构状态变量中，构建扩展结构状态向量：
[0015][0016]式中，x(t)＝{x1(t),x2(t),
…
,x
n
(t)}
T
为n
×
1维的位移向量，x
i
(t)为第i个区域在t时刻的位移，i＝1,2...n，n为结构自由度；为对应的n
×
1维速度向量；为t时刻未知的刚度参数相对系数矢量，α
t,i
＝K
t,i
/K
0,i
为第i个区域在t时刻的刚度参数相对系数，K
t,i
表示第i个区域在t时刻的刚度，K
0,i
表示第i个区域
初始时刻的刚度；N
K
为结构的刚度名义自由度；
[0017]S22：基于结构动力学方程，对式(1)求导，得到结构动力状态空间方程如下：
[0018][0019]式中，M、E、K分别表示系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；w(t)为模型噪声；g为中间量；u为动力输入向量；
[0020]S23：根据式(2)建立离散状态预测方程：
[0021][0022]式中，为t＝(k+1)Δt时刻的状态估计，为t＝kΔt时刻的状态估计，Δt为采样时间间隔，k表示第k个采样时刻；是τ时刻的状态估计，kΔt≤τ≤(k+1)Δt；
[0023]S24：建立非线性离散观测方程如下：
[0024][0025]式中，y
k+1
、Z
k+1
、u
k+1
、v
k+1
、x
k+1
、α
k+1
分别为时间t＝(k+1)Δt的实测结构动力响应、2n+2N
K
维状态向量、动力输入向量、测量噪声、位移向量、速度向量、刚度参数相对系数矢量；L为动力输入激励矩阵；F
c
为振动系统的阻尼力向量；F
s
为振动系统的刚度力向量；h为中间量。
[0026]进一步的，所述S3具体包括：
[0027]S31：各刚度参数相对系数初始值取1.0，初始速度和初始位移均设为0；
[0028]S32：设t＝kΔt时刻第j个刚度参数相对系数真实值为α
j,k
，在t＝(k+1)Δt时，由于真实值未知，采用t＝kΔt时刻具有最小均方误差的刚度参数相对系数估计值代替，则t＝(k+1)Δt时的第j个刚度参数相对系数真实值的估计
[0029]在初始时刻t＝0时，刚度参数相对系数为1.0，即则将t＝1
×
Δt时刻的刚度参数相对系数的取值范围确定如下：
[0030][1.0
‑
0.02,1.0+0.02]ꢀꢀꢀ
(5)
[0031]设t＝kΔt时刻至下一时刻t＝(k+1)Δt结构损伤未发展，则将刚度参数相对系数在t＝(k+1)Δt时刻的取值范围确定如下：
[0032][0033]S33：各刚度参数相对系数取值样本数取N0，则结构状态向量样本粒子总数其中n1为结构状态向量中刚度参数相对系数的个数；由此构建初始结构状态向量粒子序列其中为第i个结构状态向量粒子中第j个刚度参数
相对系数的初始值，j＝1,2...n1，初始位移和初始速度参数个数合计为2n1，并将任一初始粒子的先验概率设为1/N，由此生成了初始状态的N个粒子概率分布
[0034]进一步的，所述S4具体包括：
[0035]S41：将非线性离散观测方程(4)改写为如下形式：
[0036][0037]式中，中间量
[0038]S42：基于获得的实测结构动力响应y
k+1
，结合最小二乘法，对未知输入进行求解计算得到未知的动力输入向量：
[0039][0040]其中，Z
k+1/k
为t＝(k+1)Δt时刻的预测结构状态向量，Z
k+1/k
通过下式进行计算：
[0041][0042]式中，为归一化权重值，为对应t＝(k+1)Δt时刻前第i个粒子的结构状态向量；为t＝(k+1)Δt时刻第i个粒子的结构状态向量。
[0043]进一步的，所述S5具体包括：
[0044]S51：将各结构状态向量样本粒子代入离散状态预测方程(3)，得到t＝kΔt时刻第i个粒子的结构状态向量预测值
[0045]S52：将获得的各结构状态向量预测值分别代入非线性离散观测方程中(4)，得到各粒子的观测响应预测值
[0046]S53：在下一时刻，即t＝(k+1)Δt，计算观测响应预测值与实测结构动力响应y
k+1
的差值，以衡量每个粒子的后验概率密度大小，计算差值如下：
[0047][0048]S54：在对概率密度权重进行分配时，引入高斯分布，它的标准型为：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种震后混凝土拱坝结构损伤程度快速递推辨识方法，其特征在于，包括：S1：将混凝土拱坝分为若干区域，在各区域布置加速度传感器，利用加速度传感器获得地震作用下混凝土拱坝不同区域典型测点的加速度响应；S2：将结构状态空间理论和结构动力学方程相结合，构建带刚度参数的混凝土拱坝结构动力状态空间模型；S3：初始化结构状态向量样本粒子，并生成初始状态粒子概率分布；S4：计算未知动力输入荷载；S5：结构状态向量样本粒子赋权重；S6：重采样判定并估计结构状态向量；S7：更新下一时刻先验概率密度，重复S4
‑
S6步骤至时间步结束。2.根据权利要求1所述的震后混凝土拱坝结构损伤程度快速递推辨识方法，其特征在于，所述S1中，根据混凝土拱坝震后常见损伤位置分布特点进行区域划分。3.根据权利要求1所述的震后混凝土拱坝结构损伤程度快速递推辨识方法，其特征在于，所述S2具体包括：S21：设混凝土拱坝各区域的刚度参数相互独立，将刚度参数相对系数引入到结构状态变量中，构建扩展结构状态向量：式中，x(t)＝{x1(t),x2(t),
…
,x
n
(t)}
T
为n
×
1维的位移向量，x
i
(t)为第i个区域在t时刻的位移，i＝1,2...n，n为结构自由度；为对应的n
×
1维速度向量；为t时刻未知的刚度参数相对系数矢量，α
t,i
＝K
t,i
/K
0,i
为第i个区域在t时刻的刚度参数相对系数，K
t,i
表示第i个区域在t时刻的刚度，K
0,i
表示第i个区域初始时刻的刚度；N
K
为结构的刚度名义自由度；S22：基于结构动力学方程，对式(1)求导，得到结构动力状态空间方程如下：式中，M、E、K分别表示系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；w(t)为模型噪声；g为中间量；u为动力输入向量；S23：根据式(2)建立离散状态预测方程：式中，为t＝(k+1)Δt时刻的状态估计，为t＝kΔt时刻的状态估计，Δt为采样时间间隔，k表示第k个采样时刻；是τ时刻的状态估计，kΔt≤τ≤(k+1)Δt；S24：建立非线性离散观测方程如下：
式中，y
k+1
、Z
k+1
、u
k+1
、v
k+1
、x
k+1
、α
k+1
分别为时间t＝(k+1)Δt的实测结构动力响应、2n+2N
K
维状态向量、动力输入向量、测量噪声、位移向量、速度向量、刚度参数相对系数矢量；L为动力输入激励矩阵；F
c
为振动系统的阻尼力向量；F
s
为振动系统的刚度力向量；h为中间量。4.根据权利要求3所述的震后混凝土拱坝结构损伤程度快速递推辨识方法，其特征在于，所述S3具体包括：S31：各刚度参数相对系数初始值取1.0，初始速度和初始位移均设为0；S32：设t＝kΔt时刻第j个刚度参数相对系数真实值为α
j,k
，在t＝(k+1)Δt时，由于真实值未知，采用t＝kΔt时刻具有最小均方误差的刚度参数相对系数估计值代替，则t＝(k+1)Δt时的第j个刚度参数相对系数真实值的估计在初始时刻t＝0时，刚度参数相对系数为1.0，即则将t＝1
×
Δt时刻的刚度参数相对系数的取值范围确定如下：[1.0
‑
0.02,1.0+0.02]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)设t＝kΔt时刻至下一时刻t＝(k+1)Δt结构损伤未发展，则将刚度参数相对系数在t＝(k+1)Δt时刻的取值范围确定如下：S33：各刚度参数相对系数取值样本数取N0，则结构状态向量样本粒子总数其中n1为结构状态向量中刚度参数相对系数的个数；由此构建初始结构状态向量粒子序列其中为第i个结构状态向量粒子中第j个刚度参数相对系数的初始值，j＝1,2...n1，初始位移和初始速度参数个数合计为2n...

【专利技术属性】
技术研发人员：仇建春，张昌盛，徐鹏程，王瑄，刘兴阳，周如翼，龙长林，林佳乐，薛宇，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：