一种适用于振动台试验的隧道衬砌EMD能量指数损伤评价方法

本发明涉及隧道衬砌地震损伤定量评价方法，具体是一种振动台试验隧道衬砌加速度测试时程曲线，基于经验模态分解和希尔伯特黄频带能量谱计算的隧道衬砌emd能量指数损伤评价方法。

背景技术：

1、基于振动信号的损伤识别属于无模型的损伤识别技术范畴，这种利用振动信号的损伤识别方法就是将传感器采集到的数据结合计算机技术，将采集信号的模态参数识别出来，并通过能量谱、刚度等指标对结构的健康状况做出评估。这种方法具有简化流程、减少建模产生的误差等优势，目前，这种损伤识别技术正被广大学者青睐。

2、但是，该技术也存在一些问题。目前基于振动的损伤识别，通常默认结构为线性，而自然界中，由于包含外界噪声，环境激励的随机性，所测得的振动信号几乎都是非线性，不平稳的。此外，现代的隧道工程结构因其的大型化、体系复杂化等特点，也导致建筑结构物的振动响应具有非平稳、非线性的特点，虽然基于平稳信号理论和线性理论已经发展的相对成熟，但仍然无法直接用来分析现实隧道工程结构振动响应信号。因此现代隧道工程结构的震后健康状态评估面临着新的挑战，亟需研究一种合适的算法，能够识别非线性非平稳振动信号的损伤。

3、结构损伤识别的效果理想与否，对准确判断结构的运行状态有非常重要的意义。理想的损伤识别方法必须满足以下几个要求：一是能及时识别损伤的存在或者出现，这是基本要求；二是能准确定位损伤出现的位置；三是建立一种或者一类损伤指标，将损伤的严重程度量化；四是判断损伤对结构影响并进行寿命评估。

4、振动台模型试验中的原始数据通常是由布设在模型结构上的各种传感器(如加速度传感器、动应变片、位移传感器、动土压力传感器等)记录而得。原始数据的常见处理方式如下：(1)分析频谱扫描得到幅频曲线，可了解结构的自振频率、阻尼及振型的变化情况；(2)由加速度记录可求得测点位置的加速度峰值，除以台面输入加速度峰值就可得到加速度方法系数；(3)对加速度记录积分，可得到该测点的位移时程曲线，进而求得相对台面位移峰值及层间位移峰值；(4)利用动应变片测得的应变峰值来推算该位置混凝土可能出现裂缝的时间及结构的变形情况；(5)位移峰值也可通过位移传感器记录下的位移时程曲线求出；(6)利用沿切向布置的加速度传感器求出相对台面扭转变形峰值及层间扭转变形峰值；(7)试验现象及裂缝发展情况描述。

5、结构损伤识别的目标，早在1993年，ryttet就把损伤诊断的过程分为了检测损伤、定位损伤、评估损伤以及损伤预测四个阶段。结构参数识别在隧道工程健康监测中起着至关重要的作用。要准确识别损伤，首先要找到评估损伤的参数和物理量，这些参数和物理量需要在损伤的检测和评估中易于获得，例如结构模态函数中的频率和振型等。损伤的定位就是判别出结构损伤后，找到损伤发生的具体位置；第三个阶段就是对损伤程度进行评估；评估了结构的损伤程度，有利于实现第四个阶段：对结构物的剩余寿命进行预测。基于现有的科技水平，隧道工程的损伤识别大多数只能开展到第一、第二阶段，对第三以及第四阶段的损伤识别还难以实现。因此研究地震作用下隧道衬砌的损伤演化规律，并对衬砌的损伤进行定位和评估就显得非常重要。

技术实现思路

1、为充分反映隧道衬砌动力损伤程度，突破传统宏观变形破坏现象、坡体位移、加速度峰值放大系数、频谱特性、反应谱特性等指标(或相应的内力指标)的局限性，基于地震工程隧道工程损伤现实状态，根据振动台试验隧道衬砌加速度测试数据分析，联合希尔伯特黄变换，提出了一种适用于振动台试验的隧道衬砌emd能量指数损伤评价方法。

2、为此，本发明采用如下技术方案：

3、一种适用于振动台试验的隧道衬砌emd能量指数损伤评价方法，包括以下步骤：

4、1)根据试验要求设计隧道衬砌加速度传感器布设方案，按照设计方案布置加速度传感器；

5、2)填筑振动台试验模型，当正弦扫频时，衬砌结构并未产生损伤，为健康状态；

6、3)按试验要求加载地震波测试，得到不同激振强度作用下隧道衬砌损伤状态，获取隧道衬砌结构的加速度数据；

7、4)导入步骤3)获取的振动台试验隧道衬砌特征部位加速度数据，绘制加速度-时间曲线图

8、5)将步骤3)获取的加速度数据，导入数据处理软件中，将加速度数据进行emd分解，获取表征地震信号本征模态的imf，将所有本征模态进行hht变换；

9、(1)首先找出给定的时间序列x(t)中的局部极大值与局部极小值，然后采用三次样条拟合，得到信号的上包络线emax(t)和下包络线emin(t)，并计算其平均值m1：

10、

11、(2)将原始时间序列x(t)减去均值m1，得到一个新的时间序列h1(t)，即：

12、h1(t)＝x(t)-m1(2)

13、imf的两个条件：①极值点和过零点的数目相等、或者相差一个；②局部最大和局部最小的上下包络线均值为0；

14、将h1(t)作为原始时间序列，重复步骤(1)和(2)；

15、直到h1k(t)＝h1(k-1)(t)-m1k满足imf的两个条件，则得到第一个imf分量c1(t)，即：

16、c1(t)＝h1k(t)(3)

17、(3)从x(t)中减去c1(t)分量，得到剩余序列r1(t)＝x1(t)-c1(t)，对r1(t)按照上述步骤依次提取第二、第三……，直到第n个imf，当残差rn(t)为一个单调序列，则筛分过程结束；

18、上述分解得到的固有模态分量为原始时间序列由高频到低频不同频段的分布，原始时间序列表示各imf分量与残差的总和：

19、

20、6)对比分析各阶经验模态分解结果，选取imf分量c2(t)中的幅值高，且频率信息丰富，瞬时频率分布均衡，在时间轴对其积分计算得能量e：

21、

22、7)分别计算得到不同激振强度下衬砌结构加速度信号分解的分量c2(t)的能量e；

23、由结构损伤前后c2(t)分量的能量值di定义emd能量损伤指标：

24、

25、式中，di为emd能量损伤指数；el为衬砌各测点emd能量；et为台面emd能量；

26、损伤指数越大，则表明损伤程度越严重；

27、8)利用emd能量损伤指数特征曲线，进行地震作用下隧道横穿滑面系统隧道衬砌地震损伤评价。

28、本发明的有益效果在于：

29、本发明通过传感器获得衬砌结构健康状态下自由振动的加速度响应信号，借助matlab平台，采用hht方法对衬砌结构损伤前后加速度响应信号进行分析，将其进行emd分解得到有限个固有模态函数imf，计算信号固有模态函数(imf)能量的变化，emd能量损伤指数正是基于imf提出的，能定位损伤位置及更全面判断损伤的严重程度。

技术特征：

1.一种适用于振动台试验的隧道衬砌emd能量指数损伤评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的适用于振动台试验的隧道衬砌emd能量指数损伤评价方法，其特征在于，所述步骤5)中emd分解的步骤为：

技术总结
本发明公开了一种适用于振动台试验的隧道衬砌EMD能量指数损伤评价方法，1)设计隧道衬砌加速度传感器布设方案，布置加速度传感器；2)填筑振动台试验模型；3)加载地震波测试，获取隧道衬砌结构的加速度数据；4)导入加速度数据，绘制加速度‑时间曲线图；5)将步骤3)获取的加速度数据，进行EMD分解，获取表征地震信号本征模态的IMF，将所有本征模态进行HHT变换；6)对比分析各阶经验模态分解结果，选取IMF分量中的幅值高，且频率信息丰富，瞬时频率分布均衡，在时间轴对其积分计算得能量E；7)由结构损伤前后分量的能量值DI定义EMD能量损伤指标；8)利用EMD能量损伤指数特征曲线，进行地震作用下隧道横穿滑面系统隧道衬砌地震损伤评价。

技术研发人员：牌立芳,吴红刚,王旭,陶志刚,衣忠强,刘德仁,赖天文,马丽娜,田忠喜,崔晓宁,尹威江,孙远武,赖国泉,杨昊天,刘通,马兴栋
受保护的技术使用者：兰州交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16