[发明专利]一种结构响应缓变和瞬变成分分离方法

权利要求书

1.一种结构响应缓变和瞬变成分分离方法，其特征在于，该方法包括：

根据传感器实测结构响应的多时间尺度特性，对结构响应中的缓变和瞬变成分进行定义；

针对传感器获得的结构响应实值信号，计算其相应的复值解析信号；

将结构响应中缓变和瞬变成分的分离问题，等效转换为基于模态估计带宽的约束变分最优化问题；

运用交替方向乘子法求解该约束变分最优化问题，实现对结构响应中缓变和瞬变成分的同步分离；

所述对结构响应中的缓变和瞬变成分进行定义，包括：

根据用户需要，对需分离的结构响应中的缓变和瞬变成分的频率界限值进行定义；并将所述结构响应中频率成分低于所述频率界限值的响应分量定义为缓变成分，将所述结构响应中频率成分高于或等于所述频率界限值的响应分量定义为瞬变成分；

所述结构响应的多时间尺度特性是由土木结构在服役期间遭受的各种荷载作用引起的。

2.根据权利要求1所述的一种结构响应缓变和瞬变成分分离方法，其特征在于，所述土木结构在服役期间遭受的各种荷载作用包括：

由结构自身质量引起的恒载，由太阳辐射、骤然降温和年温差引起的温度作用，由空气流动引起的风荷载，由车辆引起的交通荷载以及由人类活动引起的活荷载。

3.根据权利要求1所述的一种结构响应缓变和瞬变成分分离方法，其特征在于，具有不同时间尺度特性的响应分量，同时包含于通过传感器对土木结构进行实际测量所得的响应信号中。

4.根据权利要求1所述的一种结构响应缓变和瞬变成分分离方法，其特征在于，所述传感器至少包括如下项中的一项：

应力传感器、应变传感器和位移传感器。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种结构响应缓变和瞬变成分分离方法，其特征在于，所述复值解析信号由实部和虚部两部分组成；

其中，实部为通过传感器获得的结构响应实值信号，虚部为该实值信号的希尔伯特变换，其表达式为：

z(t)＝x(t)+jH[x(t)] 式(1)

式(1)中，x(t)为通过传感器获得的结构响应实值信号；H[x(t)]为x(t)的希尔伯特变换；j为虚部单位，j²＝-1；z(t)为结构响应实值信号x(t)的复值解析信号。

6.根据权利要求1至4任一项所述的一种结构响应缓变和瞬变成分分离方法，其特征在于，所述将结构响应中缓变和瞬变成分的分离问题，等效转换为基于模态估计带宽的约束变分最优化问题，具体包括：

将各类荷载作用引起的各响应分量分别看作为具有特定中心频率ω的本征模态函数u(t)，则由传感器获得的具有K个响应分量的实测响应信号x(t)表示为：

式(2)中，u_k(t)为第k阶本征模态函数，且各阶本征模态函数u_k(t)的中心频率ω_k存在有ω₁ω₂…ω_K的关系；K为本征模态函数的总数，即实测响应信号中所含的响应分量个数；

通过求解使各本征模态估计带宽之和最小化的约束变分问题，来实现对结构响应中不同频率成分分量的分离；

所述基于模态估计带宽的约束变分最优化模型为：

式(3)中，{u_k}为本征模态函数集合，{u_k}:＝{u₁,u₂,…,u_K}；{ω_k}为本征模态函数的中心频率集合，{ω_k}:＝{ω₁,ω₂,…,ω_K}；δ(t)为Dirac函数；为对时间t求导数；||·||₂为L2 范数。

7.根据权利要求6所述的一种结构响应缓变和瞬变成分分离方法，其特征在于，所述运用交替方向乘子法求解该约束变分最优化问题，包括：

在傅里叶域内迭代求解各阶本征模态函数u_k和相应中心频率ω_k的显示解；

利用对偶上升更新拉格朗日乘子λ(ω)，以实现整个迭代更新过程的推进；

将两次迭代所得的各阶本征模态函数的残差之和作为收敛条件来实现对实测响应中各响应成分分量的分离；

其中，所述迭代更新过程的收敛条件为：

式(4)中，和分别为第k阶本征模态u_k(t)在第n次和n+1次迭代时的傅里叶变换；为收敛容许残差；

对满足式(4)所示收敛条件的进行傅里叶逆变换，得K个本征模态函数{u_k}，实现对结构原实测响应中各响应成分分量的分离，并根据所述定义得到实测响应信息中的缓变和瞬变成分。