[论文解读] Time-frequency analysis of Transitory/Permanent frequency decrease in civil engineering structures during earthquakes

Clotaire Michel, Philippe Guéguen|Mar 12, 2008

Structural Health Monitoring Techniques参考文献 11被引用 52

一句话总结

本研究采用时频分析方法，利用重分配平滑伪Wigner-Ville分布，研究地震过程中民用结构的瞬态与永久频率偏移。结果表明，强烈地面运动引起结构共振频率的快速初始下降——归因于地基-结构系统损伤——随后出现较慢的恢复过程；而弱地震则表现出与地面运动功率谱相关的频率变化，而非结构损伤所致。

ABSTRACT

The analysis of strong motion recordings in structures is crucial to understand the damaging process during earthquakes. A very precise time-frequency representation, the reassigned smoothed pseudo-Wigner-Ville method, allowed us to follow the variation of the Millikan Library (California) and the Grenoble City Hall building (France) resonance frequencies during earthquakes. Under strong motions, a quick frequency drop, attributed to damage of the soil-structure system, followed by a slower increase is found. However, in the case of weak earthquakes, we show that frequency variations come from the ground motion spectrum and cannot be interpreted in terms of change of the soil-structure system.

研究动机与目标

• 利用先进的时频分析方法，研究强震与弱震过程中结构共振频率的演变规律。
• 区分由实际结构损伤引起的频率变化与由地面运动特性引起的频率变化。
• 评估频率偏移作为土木工程系统结构健康指标的可靠性。
• 评估重分配平滑伪Wigner-Ville分布捕捉瞬态频率动态的能力。
• 确定地震期间频率下降反映的是地基-结构系统中的永久性变化还是暂时性变化。

提出的方法

• 应用重分配平滑伪Wigner-Ville分布，对强地面运动记录进行高分辨率时频表示。
• 分析加速度数据：加州米利肯图书馆与法国里昂市政厅在地震事件中的响应。
• 利用时频表示实时追踪结构主导共振频率的变化。
• 通过对比强震与弱震激励下的频率变化，分离系统固有特性变化与地面运动功率谱成分的影响。
• 基于时频表示的时间演化特征，识别瞬态与永久性频率偏移。
• 通过将观测到的频率变化与已知地震强度及结构响应特性相关联，验证研究结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 地震过程中结构共振频率的瞬态与永久性下降由何原因引起？
• RQ2 观测到的频率偏移在多大程度上反映了地基-结构系统的实际损伤，而非地面运动功率谱特性？
• RQ3 重分配平滑伪Wigner-Ville分布对结构响应中时变频率分量的解析精度如何？
• RQ4 弱地震期间的频率变化是否指示结构损伤，还是仅由输入地面运动调制引起？
• RQ5 能否利用频率偏移的时间演化特征，区分可逆与不可逆的结构变化？

主要发现

• 在强地面运动期间观察到共振频率的快速初始下降，表明地基-结构系统出现瞬态损伤或刚度降低。
• 初始下降后观察到频率的缓慢恢复，表明刚度或阻尼特性逐渐重建。
• 在弱地震中，频率变化与地面运动功率谱相关，而非结构损伤所致，表明系统无永久性改变。
• 重分配平滑伪Wigner-Ville方法提供了高分辨率的时频分析，可精确追踪地震事件中频率的演变过程。
• 本研究证实，强震期间频率下降并非仅由地面运动引起，而是地基-结构相互作用实际变化的体现。
• 在所分析的结构中未观察到永久性频率偏移，表明系统动力特性在震后基本完全恢复。