经验模态分解剔除结构地震响应位移漂移

　　引　言

　　结构地震时程分析需要以真实的地震动记录作为激励输入,再利用数值积分方法逐步计算出结构的位移、速度和加速度的时程响应。“大质量法”是近年来应用于结构地震反应分析计算的一种有效的分析方法[1],它能够真实地模拟从结构底部基础输入地震激励的状况,它还能够模拟地震行波效应等输入条件。由于“大质量法”的自身特点,一般情况下都会出现位移响应的漂移现象[2]。要掌握结构地震位移响应的真实情况,就必须设法剔除位移时程曲线中的“漂移成分”。

　　在振动测试信号预处理中经常遇到消除趋势项的问题。振动测试信号中的趋势项往往是因测试仪器温度变化造成的零点漂移引起的,这种趋势项曲线可以用比较简单的数学函数和形式来描述,譬如经常假定为多项式趋势项,用最小二乘法就能够容易地进行消除[3]。

　　剔除结构位移响应漂移这一问题,貌似振动测试信号预处理消除趋势项问题,其实两个问题在本质上存在一定差别。虽然位移漂移也表现为时程曲线对于零基线的偏移,但其原因是复杂的,漂移量也不一定是线性的。一方面由于在振动方向解除约束后,系统振动位移漂移方向具有随机性;另外一方面,应该注意到所有的真实地震记录信号都是非平稳随机信号,其位移响应也必然是非平稳随机信号[4]。若从信号处理的层面上看问题,将本文所面对的问题归属于模态参数识别中的模态分析更为合理。这样一来,可以将大质量法引起的位移响应漂移,看成是真实位移时程曲线中混入了一个低端频率的模态分量,本文研究目的就是对这个低阶模态进行分离和剔除,解决问题的关键技术是采用什么样的方法进行模态分解。

　　本文研究了一种基于经验模态分解的剔除结构地震响应位移漂移量的方法。该方法利用经验模态分解的自适应分解特性和对于低频信号频率分辨率高的特性,分离了桥梁结构地震反应分析研究中位移时程曲线中的“漂移”模态后,然后再经过模态重构,得到了接近真实的位移反应时程曲线。

　　1　地震响应激励方式与位移漂移

　　1.1　地震激励的3种输入方式

　　结构地震响应分析中的一个关键性问题是地震加速度激励的输入,采用有限元程序进行地震时程反应分析计算时,一般有2种途径可供选择,它们分别是直接加速度法、底部位移法和大质量法。现在以有限元软件ANSYS为例,简要介绍如下。

　　1.1.1　直接加速度法(即,ACEL命令法)

　　这一方法是通过ANSYS的ACEL命令,在所有单元上同时施加同样的地震加速度激励。由于上部结构刚度较大,波的传播速度很快,而且地震作用沿结构也不会产生太大变化,可以忽略波的传播过程,所以这一方法在进行单一上部结构地震反应分析时经常采用。这一方法的特点是操作简便,其不足之处是不能考虑结构底部的场地土条件对结构地震响应的影响,更不能够考虑地震行波效应对于结构动力响应的影响[5]。