[发明专利]基于改进卡尔曼滤波的超高层建筑风荷载反分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及建筑结构风荷载识别技术领域，尤其涉及一种基于改进卡尔曼滤波的超高层建筑风荷载反分析方法。

背景技术

近年来在我国东南沿海地区兴建了大量三百米以上的超高层建筑,由于这类结构的自振频率较低、阻尼较小，同台风动荷载的主要频率段比较接近,在强/台风作用下的风致响应比较大，风荷载及风振响应是其安全性及适用性设计的首要控制指标。一般来讲，高层建筑风荷载很难由现场测量确定，风洞试验技术尽管能够测试结构风荷载，但由于受到试验模拟技术及分析方法的限制，其评估结果难以完全准确的反映真实情况。考虑到目前结构动力响应的实测技术比较成熟，结构加速度及位移响应的量测精度远高于风荷载的量测精度。因此，基于实测风致响应反向识别结构动态风荷载，成为间接量测风荷载的一种新途径。

利用结构响应评估外荷载属于典型的反分析问题，Sanchez和Benaroya(2014)对该问题的研究进展进行了详细地介绍，并讨论了多种荷载识别技术的适用性及局限性。而对于结构风荷载的反分析研究也取得了一些成果。如陈隽及李杰(1997)基于荷载归一化统计平均法开展了高层建筑风荷载的反演分析。Kang和Lo(2002)对典型高塔进行了风荷载反演分析。Law等人(2005)提出了一种评估风荷载的反分析算法，并以桅杆为对象进行了数值验证。Lourens等人(2008)基于一种动力反分析算子识别了80m高塔的时变风荷载。Hwang及Kareem等(2009,2010)基于混凝土烟囱的气弹风洞试验评估了结构横风向荷载，并对比研究了多种因素对烟囱风荷载分析结果的影响。以往的研究表明，基于结构风致响应识别动态风荷载是一种可行且有效的方法，它对进一步理解风与结构的相互作用机理及风振响应规律具有重要的意义。但目前来说对建筑结构风荷载的反分析研究较少，对于高层建筑风荷载反演分析更是有限，因此很有必要加强这方面的研究工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于改进卡尔曼滤波的超高层建筑风荷载反分析方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于改进卡尔曼滤波的超高层建筑风荷载反分析方法，包括以下步骤：

1)由有限元计算或质量统计可得到结构质量矩阵M，其中超高层建筑的层数为n；

基于现场实测获得结构前q阶结构自振频率ω_i、阻尼比ξ_i，综合应用现场实测和有限元分析获得结构模态振型Φ_n×q；

2)输入实测的p个楼层的风致响应分量，根据实测的结构前q阶模态振型，将测试的风致响应分量转化为模态风致响应；所述风致响应分量为位移、速度或加速度响应中的一种；

在结构动态响应实测时，若只测得结构部分楼层的风致响应(假设为p层加速度响应)和前q阶模态振型，由于超高层建筑的风致振动往往以前几阶模态为主，则结构风致响应可近似分解为：

y··p×1=Φp×qU··q×1,(1≤q≤p≤n)]]>

其中，为实测的p层加速度响应；为前q阶模态加速度向量；Φ_p×q由Φ_n×n中与p个实测响应楼层对应的行、前q列形成的子振型矩阵；Φ_n×n为按质量规准化的模态振型矩阵；确定结构振动的主要控制模态数目q采用以下方法：基于POD方法首先获取加速度响应协方差矩阵的特征值进而计算出前q阶模态对结构振动的贡献比例：