基于等效简化模型的高层建筑时变风荷载鲁棒反演方法.pdfVIP

摘要

高层建筑因自振周期长、柔度大、阻尼小等特点，在风荷载作用下动力响应显

著。风荷载已成为影响高层建筑结构安全和使用的关键荷载。因此，精准掌握高层

建筑风荷载对于优化结构抗风设计、保障结构安全与使用舒适具有重要意义。基于

实际结构监测动力响应的风荷载反演方法是高层建筑风荷载研究中不可或缺的重

要方法。然而，现有建筑风荷载反演研究因在风荷载反演的结构动力学模型、模型

参数识别方法和风荷载反演方法鲁棒性等方面存在很多技术挑战，还难以实现准

确反演高层建筑风荷载的目标。

针对上述现有高层建筑风荷载反演研究存在的问题，本文提出基于等效简化

模型的高层建筑时变风荷载鲁棒反演方法。为高层建筑风荷载反演研究提供了先

进有效的新理论和新方法。

本文主要研究内容包括：

（1）提出了基于层间剪力等效的高层建筑新型简化模型构建方法。以层间剪

力等效为目标，建立高层建筑新型简化模型，通过理论分析揭示了简化模型能够准

确反映水平风荷载作用下实际建筑结构动力响应的机理；基于新型简化模型，建立

了高层建筑风荷载反演的结构动力学模型。结合无线传感技术和子结构识别方法，

提出了基于少量无线传感器的高层建筑简化模型参数分布式迭代识别方法，并通

过数值模拟算例，验证了通过测量结构加速度响应识别得到的新型简化模型准确

反映实际结构动力响应的能力。

（2）提出了结合施密特卡尔曼滤波器（SKF）和减敏卡尔曼滤波器（DKF）

的建筑风荷载鲁棒反演方法。利用SKF技术，通过将模型不确定性参数作为不更

新的状态空间拓展向量，降低参数不确定性对风荷载识别精度的影响；基于DKF

技术，在确定卡尔曼滤波增益时添加参数灵敏度惩罚项，以提升风荷载识别精度。

建立基于SKF和DKF的高层建筑风荷载鲁棒反演方法。数值模拟结果表明：与

传统基于卡尔曼滤波的风荷载反演方法，在结构模型参数存在不确定性的条件下，

本文所提方法反演得到的风荷载具有更小的不确定性（方差），验证了方法的鲁棒

性。

（3）利用前述方法，研究了框架-支撑结构体系高层建筑时风荷载鲁棒反演方

法。理论证明了新型简化模型的建立方法针对框架-支撑体系依然适用。通过

OpenSees软件建立了采用框架-支撑体系的高层建筑有限元模型，以层间剪力等效

为目标，推导了框架-支撑结构的新型简化模型。采用子结构方法识别了新型简化

模型的参数，结合蒙特卡洛模拟获得简化模型的参数不确定性。结合新型简化模型

以及模型参数的不确定性，构建了基于施密特卡尔曼滤波器和减敏卡尔曼滤波器

的风荷载反演方法。数值模拟结果表明，本文所提出风荷载鲁棒反演方法具有较高

的有效性，并且相较于传统方法具有更高的鲁棒性。

关键词：简化模型；高层建筑；风荷载反演；施密特卡尔曼滤波；减敏卡尔曼滤波

Abstract

High-risebuildingsaresignificantlyaffectedbywindloadsduetotheirlongnatural

periods,highflexibility,andlowdamping.Windloadhasbecomeacriticalloadthat

affectsthesafetyandusabilityofhigh-risebuildingstructures.Therefore,accurately

understandingthewindloadonhigh-risebuildingsisofgreatsignificanceforoptimizing

structuralwind-resistantdesignandensuringstructuralsafetyandoccupantcomfort.The

windloadinversionmethodbasedonthedynamicresponseofstructuralhealth

monitoringisanindispensableapproachinthestudyofwindloadsonhigh-risebuildings.

However,existingresea