結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)與評(píng)估研究現(xiàn)狀與展望

單伽锃，王律己，余 樺，蘇金蓉

(1. 同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)工程系，上海 200092；2. 同濟(jì)大學(xué)上海智能科學(xué)與技術(shù)研究院，上海 200092；3. 四川地震局，四川 610041)

我國地處環(huán)太平洋地震帶及亞歐地震帶，是遭受地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一。我國《防震減災(zāi)規(guī)劃(2016 年-2020 年)》指出我國仍處于破壞性地震多發(fā)時(shí)期。與此同時(shí)，伴隨全球矚目的城鎮(zhèn)化進(jìn)程，我國建成了規(guī)模巨大的城市建筑群，帶來社會(huì)人口、財(cái)富和功能的聚集效應(yīng)。目前，一半以上的國內(nèi)城市位于地震設(shè)防烈度7 度及7 度以上地區(qū)，而近年來的國內(nèi)外城市震害經(jīng)驗(yàn)表明，地震具有災(zāi)害破壞性強(qiáng)、波及范圍廣、救災(zāi)難度大等特點(diǎn)，在較長時(shí)間內(nèi)對(duì)受災(zāi)城市的社會(huì)功能造成嚴(yán)重負(fù)面影響。因此，如何有效做好震前防備，震中抵御、震后評(píng)估與恢復(fù)，是我國防震減災(zāi)面臨的重大挑戰(zhàn)。

我國現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)理念與方法是在唐山地震、汶川地震、玉樹地震等歷史震害的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)中學(xué)習(xí)與提出，在持續(xù)的理論分析、數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究中發(fā)展與完善，并在后續(xù)地震事件中得到有效性的驗(yàn)證[1-2]。事實(shí)上，服役工程結(jié)構(gòu)在地震作用下的抗震行為及損傷特征尚未被學(xué)術(shù)界與工程界充分認(rèn)知，例如遠(yuǎn)場(chǎng)長周期地震動(dòng)[3]、扭轉(zhuǎn)耦合效應(yīng)[4]、土-結(jié)構(gòu)相互作用[5]等。顯然，若不能量測(cè)結(jié)構(gòu)真實(shí)地震響應(yīng)，將無法更深入地挖掘結(jié)構(gòu)抗震行為并評(píng)估其影響，也無法充分地驗(yàn)證現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與假定、前期單因素結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)等研究結(jié)果。因此，需要在地震動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，發(fā)展結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)系統(tǒng)，提供實(shí)時(shí)的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)數(shù)據(jù)，全面評(píng)估不同類型工程結(jié)構(gòu)在小震、中震、大震下的抗震性能與動(dòng)力行為，為震后結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估與安全鑒定提供必要且有價(jià)值的數(shù)據(jù)，促進(jìn)震損結(jié)構(gòu)安全評(píng)定的準(zhǔn)確性與魯棒性的持續(xù)提升。

1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)系統(tǒng)

考慮不同的觀測(cè)對(duì)象，強(qiáng)震觀測(cè)系統(tǒng)可以劃分為對(duì)場(chǎng)地地震動(dòng)和結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)監(jiān)測(cè)。其中結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)系統(tǒng)通常劃分為4 個(gè)子系統(tǒng)：傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)、信息通信與傳輸子系統(tǒng)、信息分析與監(jiān)控子系統(tǒng)[6]。以不同位置處布置的加速度計(jì)為主要監(jiān)測(cè)設(shè)備，多通道傳感器子系統(tǒng)將強(qiáng)震下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)，并在該子系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行觀測(cè)數(shù)據(jù)的初步預(yù)處理與標(biāo)準(zhǔn)化存儲(chǔ)，再通過專用通信線路、Internet 等構(gòu)成的信息通訊與傳輸子系統(tǒng)，將初步處理后的信號(hào)數(shù)據(jù)傳至信息分析與監(jiān)控子系統(tǒng)，并由該子系統(tǒng)來對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)的抗震性態(tài)進(jìn)行評(píng)估。傳感器子系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息獲取來源，它監(jiān)測(cè)到的信號(hào)數(shù)據(jù)品質(zhì)、數(shù)量及種類是影響后續(xù)對(duì)結(jié)構(gòu)性態(tài)評(píng)估的關(guān)鍵因素。

作為最早進(jìn)行強(qiáng)震觀測(cè)的國家之一，美國成功記錄到了1933 年加利福尼亞長灘(Long Beach)地震的一系列強(qiáng)震記錄[7]，在此之后逐漸發(fā)展和完善了一套從災(zāi)害監(jiān)測(cè)、預(yù)警信息發(fā)布到危險(xiǎn)性與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程系統(tǒng)。美國加州強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)計(jì)劃(California Strong Motion Instrumentation Program,CSMIP)和美國地質(zhì)調(diào)查局(United States Geological Survey, USGS)運(yùn)營著世界上最大的兩個(gè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)項(xiàng)目[8]，覆蓋了建筑、橋梁、水壩等不同類型工程結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)設(shè)施，包含了一系列城市地標(biāo)性建筑，例如美西海岸最高的洛杉磯Wilshire Grand大廈(CSMIP 編號(hào)24660)，舊金山最高的Salesforce塔(CSMIP 編號(hào)58680)。在這類結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)項(xiàng)目長達(dá)數(shù)十年的運(yùn)行期內(nèi)，大量的工程結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)被記錄下來，提供給學(xué)術(shù)界和工程界研究與挖掘。例如，美國Van Nuys 酒店(CSMIP 編號(hào)24386)、加州理工學(xué)院Millikan 圖書館等結(jié)構(gòu)對(duì)象，被認(rèn)為是近年來全球?qū)W者研究最深入與頻繁的真實(shí)工程結(jié)構(gòu)，獲得了一系列地震工程領(lǐng)域有益的結(jié)論[9]。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國近年來高度重視結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)。國家《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)強(qiáng)制條文要求：抗震設(shè)防烈度為7 度、8 度、9 度時(shí)，高度分別超過160 m、120 m、80 m 的大型公共建筑，應(yīng)按規(guī)定設(shè)置建筑結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)觀測(cè)系統(tǒng)，建筑設(shè)計(jì)應(yīng)留有觀測(cè)儀器和線路的位置?！督ㄖc橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB 50982-2014)也規(guī)定對(duì)于高層與高聳結(jié)構(gòu)，其使用期間應(yīng)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。我國第一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)臺(tái)陣布置于中國地震局防災(zāi)大樓，它的建成為后續(xù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)置累積寶貴的經(jīng)驗(yàn)[10]。

表1 統(tǒng)計(jì)了國內(nèi)外成功應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的典型結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)系統(tǒng)案例，并對(duì)比了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類型、通道數(shù)及監(jiān)測(cè)層數(shù)等基本信息。觀察表1 可以看到：

表1 國內(nèi)外建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)實(shí)例Table 1 Case study of strong seismic monitoring of structure in the world

1)中國、美國和日本是全球主要的進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)的國家，且基本都以結(jié)構(gòu)加速度觀測(cè)為主要手段，只有少數(shù)如上海環(huán)球金融中心、SIT building 等項(xiàng)目結(jié)合結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行速度甚至位移響應(yīng)監(jiān)測(cè)。加速度數(shù)據(jù)測(cè)量品質(zhì)相對(duì)較高，可以提供穩(wěn)定的模態(tài)識(shí)別結(jié)果和結(jié)構(gòu)地震加速度放大效應(yīng)，但當(dāng)運(yùn)用結(jié)構(gòu)加速度積分估計(jì)結(jié)構(gòu)位移時(shí)程時(shí)，存在一定的不確定性且無法得到結(jié)構(gòu)彈塑性位移[11]，因此僅憑加速度響應(yīng)監(jiān)測(cè)方式尚不能充分滿足震損結(jié)構(gòu)安全評(píng)估需求。

2)在監(jiān)測(cè)響應(yīng)種類的基礎(chǔ)上，監(jiān)測(cè)數(shù)量也呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律。若定義監(jiān)測(cè)豐富度指標(biāo)為監(jiān)測(cè)樓層數(shù)與結(jié)構(gòu)樓層數(shù)相除之比，則此指標(biāo)在多層結(jié)構(gòu)上可以達(dá)到0.4 以上甚至實(shí)現(xiàn)全樓層監(jiān)測(cè)，但是在面對(duì)樓層數(shù)多余10 層的高層結(jié)構(gòu)時(shí)，此指標(biāo)往往低于0.2，說明只有不到五分之一的樓層數(shù)可以獲得其結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)信息。傳感器布置的密集程度將直接影響獲取的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)信息的豐富性，稀疏的傳感器陣列以獲取結(jié)構(gòu)整體模態(tài)特征為主要目標(biāo)，尚無法揭示結(jié)構(gòu)的局部運(yùn)動(dòng)特征[12]，無法實(shí)現(xiàn)局部損傷的準(zhǔn)確定位。

因此，從表1 展示的內(nèi)容看，目前的結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)存在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)種類單一和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不完備的問題與約束：一方面，受制于當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展水平，以位移監(jiān)測(cè)為例，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)可以以固定地面布置穩(wěn)定的參考系，但實(shí)際強(qiáng)震觀測(cè)中，往往缺乏可靠的相對(duì)參考系，限制了試驗(yàn)中位移量測(cè)技術(shù)在真實(shí)工程中的應(yīng)用；另一方面，受制于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的不完備，大部分在豐富的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù)中得到應(yīng)用與驗(yàn)證的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與系統(tǒng)識(shí)別算法，尚且較難用于真實(shí)場(chǎng)景下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，繼而對(duì)基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的震損結(jié)構(gòu)抗震行為與損傷評(píng)估帶來一定的問題與挑戰(zhàn)。

2 服役結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估

不同于機(jī)械、航空等工業(yè)領(lǐng)域，建筑結(jié)構(gòu)具有非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件多、單次建造、足尺試驗(yàn)難等特點(diǎn)，導(dǎo)致缺少可靠、有效的先驗(yàn)樣本或基準(zhǔn)性態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)其抗震行為與性能演化認(rèn)知仍存在局限性。服役結(jié)構(gòu)的抗震性能，從概念上是一類結(jié)構(gòu)動(dòng)力行為的評(píng)估對(duì)象，因此可基于結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)開展相關(guān)的識(shí)別、模擬、評(píng)估與預(yù)測(cè)?？傮w上，結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)及其數(shù)據(jù)深度挖掘，可有效支持以下結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估目的：1)識(shí)別地震作用下結(jié)構(gòu)真實(shí)動(dòng)力行為；2)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論與假定；3)構(gòu)建小震下結(jié)構(gòu)完好狀態(tài)的物理模型；4)評(píng)估結(jié)構(gòu)損傷、安全性與可靠性；5)支撐震損結(jié)構(gòu)性能恢復(fù)的高效決策。其中，震損結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估是重要任務(wù)，是確定受損結(jié)構(gòu)可否重新使用的關(guān)鍵，是災(zāi)后救援中決策者最需要掌握的信息。

目前，震損結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估的主要任務(wù)是根據(jù)建筑物的損壞程度對(duì)建筑物進(jìn)行評(píng)價(jià)與分類。中國《建筑震后應(yīng)急評(píng)估和修復(fù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T415-2017)、美國《Procedures for Post-Earthquake Safety Evaluation of Buildings》(ATC-20)等國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均提供了震后目視檢查與評(píng)價(jià)的指導(dǎo)方針，專家基于相應(yīng)的規(guī)范條規(guī)，迅速開展震后調(diào)查與結(jié)構(gòu)評(píng)估。然而，條文中由單一評(píng)價(jià)指標(biāo)所確定的結(jié)構(gòu)整體安全性評(píng)定結(jié)果易存在較強(qiáng)的不確定性，信息不完備易導(dǎo)致偏于保守的鑒定結(jié)果，進(jìn)而造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失[40]。因此，結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)在給出定性結(jié)論的同時(shí)建議包含定量的依據(jù)，即通過監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)識(shí)別、分析和挖掘所需的評(píng)價(jià)信息。具體的技術(shù)途徑可以包括識(shí)別建筑物的損傷狀態(tài)、預(yù)測(cè)震損結(jié)構(gòu)剩余承載能力、量化結(jié)構(gòu)地震損傷與結(jié)構(gòu)剩余承載能力之間的映射關(guān)系、減小判別時(shí)的不確定性從而減少安全與加固決策的潛在偏差。

為了更好地論述和探討結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)與評(píng)估的研究現(xiàn)狀與水平，從單次地震事件和單個(gè)工程結(jié)構(gòu)的角度，本文選擇了相應(yīng)的典型案例進(jìn)行進(jìn)一步探討：1)東日本9.0 級(jí)大地震是近年來影響人類社會(huì)最嚴(yán)重的地震事件之一，考慮日本擁有豐富的高層結(jié)構(gòu)和新型減隔震技術(shù)的應(yīng)用，且日本擁有成熟的結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)系統(tǒng)，無論從工程對(duì)象還是觀測(cè)數(shù)據(jù)的豐富程度出發(fā)，這均是一個(gè)較好的研究案例；2)美國加州Van Nuys 酒店坐落于地震活躍區(qū)域，擁有長達(dá)半個(gè)世紀(jì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)歷史并積累了豐富的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，伴隨了“建成、輕微損傷、局部加固、嚴(yán)重?fù)p傷、整體加固、再次使用”的完整狀態(tài)變化歷程，作為基準(zhǔn)模型校驗(yàn)和改善了結(jié)構(gòu)抗震分析與性能評(píng)價(jià)各類成果[9]。

2.1 典型地震作用下不同結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)案例對(duì)比

表2 統(tǒng)計(jì)了2011 年東日本大地震后不同強(qiáng)震監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)分析與挖掘結(jié)果。豐富的長周期頻譜成分是該次地震一個(gè)特點(diǎn)，盡管其強(qiáng)度水平小于預(yù)期，但對(duì)柔性建筑造成的損失仍較大[41]。柔性結(jié)構(gòu)主要包含傳統(tǒng)的高層抗震結(jié)構(gòu)以及在不同樓層添加隔震層的隔震結(jié)構(gòu)，因?yàn)閮烧咦哉裰芷谳^長，易與這次地震動(dòng)中的長周期成分發(fā)生共振。事實(shí)上，對(duì)不同強(qiáng)震監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)識(shí)別時(shí)，均顯示了一定程度的基礎(chǔ)模態(tài)頻率變化，這些模態(tài)基頻的變化可歸因于：非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變化[36]、隔震支座的非線性行為[36]以及抗側(cè)構(gòu)件的永久非線性損傷[44-46]。附加阻尼裝置[36]以及主動(dòng)控制AMD[42]在本次地震中顯示出良好的控制效果，顯著減小了結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震損傷與疲勞程度，顯示出相關(guān)技術(shù)用于減震控制的有效性。

表2 2011 年東日本大地震后結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)及性能評(píng)估成果綜述Table 2 Review of seismic monitoring and results of performance assessment during the Tohoku earthquake

2.2 持續(xù)地震作用下典型結(jié)構(gòu)的強(qiáng)震觀測(cè)案例

美國加州Van Nuys 酒店(CSMIP 編號(hào)24386)是世界上較為成功的服役結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)工程之一。酒店始建于1966 年，是一幢以鋼筋混凝土框架為主要抗側(cè)體系的多層建筑。結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)系統(tǒng)在建成初期布置了9 個(gè)通道，并在1980 年升級(jí)到了16 個(gè)通道的強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)陣，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)觀測(cè)物理量均為加速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)水平向和扭轉(zhuǎn)地震反應(yīng)的監(jiān)測(cè)。

圖1 所示為Van Nuys 酒店在半個(gè)世紀(jì)服役期內(nèi)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化歷程。對(duì)比后可以看到，Van Nuys 酒店經(jīng)歷了1971 年San Fernando 地震的結(jié)構(gòu)可見損傷破壞、1980 年結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)系統(tǒng)升級(jí)、1994 年Northridge 地震的結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞及建筑功能喪失、1994 年結(jié)構(gòu)臨時(shí)加固和余震下?lián)p傷持續(xù)累積、1994 年-1999 年間結(jié)構(gòu)新增剪力墻加固等一系列物理損傷、自然災(zāi)害和人類活動(dòng)。可以說，服役結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估面對(duì)的物理對(duì)象處于地震災(zāi)害、人類決策耦合作用下工程結(jié)構(gòu)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化過程。

表3 列舉了CSMIP 開源的Van Nuys 酒店結(jié)構(gòu)地震觀測(cè)事件及基本信息。1971 年San Fernando地震、1994 年Northridge 強(qiáng)地震及其數(shù)年內(nèi)的余震序列、半世紀(jì)內(nèi)豐富的小震激勵(lì)，為研究界和工程界提供了豐富的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)觀測(cè)資料。大量學(xué)者依托此結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、模態(tài)識(shí)別、安全診斷、性能評(píng)估等研究工作。特別是1994 年Northridge 地震的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為震損結(jié)構(gòu)安全評(píng)估提供了高價(jià)值的響應(yīng)數(shù)據(jù)資源，并建立了以1988 年-1992 年間Landers、Big Bear 等非破壞性地震下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)識(shí)別結(jié)構(gòu)相對(duì)健康狀態(tài)、以1994 年Northridge 強(qiáng)破壞性地震下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的典型強(qiáng)震觀測(cè)研究與應(yīng)用場(chǎng)景[47]。針對(duì)上述研究進(jìn)展，表3 進(jìn)一步梳理了基于Van Nuys 酒店強(qiáng)震觀測(cè)數(shù)據(jù)的國內(nèi)外結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)與性能評(píng)估典型代表性研究成果。從表4 中可以看到，成功應(yīng)用于Van Nuys 酒店的結(jié)構(gòu)識(shí)別與損傷評(píng)估方法主要分為信號(hào)特征分析、模型參數(shù)識(shí)別、波動(dòng)理論三類[48]：

表3 Van Nuys 酒店結(jié)構(gòu)地震觀測(cè)時(shí)間及基本信息Table 3 Seismic events and basic information for Van Nuys

表4 Van Nuys 酒店50 年性能評(píng)估匯總Table 4 Summary of performance assessments of Van Nuys hotel during last 50 years

1)傳統(tǒng)信號(hào)特征分析方法主要依賴頻域、時(shí)域和時(shí)頻域方法，其中頻域方法包含傅里葉變換[49-50]、功率譜[50]、傳遞函數(shù)[48]等，基于時(shí)域的方法有自回歸滑動(dòng)平均模型[51]、拓展卡爾曼濾波[52]等，基于時(shí)頻域的分析方法包括小波變換[53]、Hilbert-Huang 變換(HHT)[51]等。這些信號(hào)特征分析方法通過檢測(cè)數(shù)值參數(shù)或模態(tài)參數(shù)的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷是否存在的定性判斷。其中，傅里葉變換是頻響函數(shù)、傳遞函數(shù)以及功率譜等常用分析指標(biāo)的計(jì)算基礎(chǔ)[54]，但該變換建立于穩(wěn)態(tài)激勵(lì)的假定上，而結(jié)構(gòu)強(qiáng)震響應(yīng)的特征往往是非平穩(wěn)隨機(jī)過程，并且僅經(jīng)頻域分析得出的結(jié)果難以與時(shí)域建立聯(lián)系；以自回歸族類為主的基于統(tǒng)計(jì)學(xué)信號(hào)分析方法，通過識(shí)別其模型參數(shù)的變化，作為損傷指標(biāo)，但其線性時(shí)不變系統(tǒng)的基本假定，一定程度上限制了該方法在強(qiáng)震事件中的應(yīng)用。小波變換通過伸縮、平移變換將信號(hào)進(jìn)行多尺度細(xì)化分析，識(shí)別信號(hào)中的突發(fā)信號(hào)和穩(wěn)定信號(hào)成分，但在面對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)這類非平穩(wěn)信號(hào)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)能量泄露、邊界扭曲等問題[55]。不同于前述幾種信號(hào)處理方法，HHT 變換適合處理非平穩(wěn)激勵(lì)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，通過HHT 邊際譜即可識(shí)別結(jié)構(gòu)的自振頻率。需要注意的是，對(duì)于強(qiáng)震激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)狀態(tài)識(shí)別，過度依賴結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別存在一定的概念缺陷，一般上只有線性系統(tǒng)才具有概念意義上的模態(tài)頻率和振型[56]。

2)第二類基于模型的損傷識(shí)別方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)損傷的定位與量化，這種方法本質(zhì)上解決的是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)上的反演問題，通過直接修正或迭代更新數(shù)值矩陣、力學(xué)模型參數(shù)，使得模型計(jì)算的響應(yīng)吻合傳感器測(cè)量的響應(yīng)[47,59,61,64]。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在服役結(jié)構(gòu)正常運(yùn)維中積累和分析響應(yīng)數(shù)據(jù)，定期修正模型參數(shù)并追蹤其的變化過程。這類方法中的關(guān)鍵步驟在于選取修正參數(shù)、構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)以及計(jì)算靈敏度矩陣。然而，大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的模型自由度較多，參考模型的選擇需要權(quán)衡計(jì)算效率和精度等問題，大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)下的精細(xì)的有限元模型在進(jìn)行參數(shù)更新時(shí)，靈敏度矩陣往往趨于病態(tài)，使得模型修正的結(jié)果不唯一[71]，并且對(duì)修正參數(shù)的選擇具有一定的主觀性。

3)與前兩類分析方法不同，基于波動(dòng)理論的分析方法依據(jù)波在傳感器間的傳播時(shí)間來定位損傷部位[69]，其空間分辨率取決于傳感器的數(shù)量，而密集的傳感器陣列將有效提高損傷定位的準(zhǔn)確性。該方法無需儲(chǔ)備震前的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，不受土-結(jié)構(gòu)相互作用等因素的影響，對(duì)與破壞無關(guān)的結(jié)構(gòu)永久性或臨時(shí)性變化也不敏感。但在現(xiàn)有傳感器技術(shù)水平及該方法需求的傳感器密度要求下，其潛在的高成本屬性一定程度上制約了相關(guān)技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用與發(fā)展。

4)在結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別與模型參數(shù)識(shí)別等的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外有部分學(xué)者嘗試基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估。例如，利用修正的有限元模型，模擬分析計(jì)算相應(yīng)的工程需求參數(shù)(EDP)，如層間位移角[57]、層間剪力[63]等，并根據(jù)EDP 進(jìn)行易損性曲線分析，從概率角度考慮地震風(fēng)險(xiǎn)等不確定性因素，確定結(jié)構(gòu)在面臨特定的地震災(zāi)害時(shí)的性能水平概率[62]。但是這些易損性分析未將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、識(shí)別結(jié)果映射到結(jié)構(gòu)的不同性能階段，并且損傷的界定不能提供結(jié)構(gòu)的剩余承載能力信息。

3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)發(fā)展展望

3.1 現(xiàn)有強(qiáng)震觀測(cè)數(shù)據(jù)挖掘方法

針對(duì)震損結(jié)構(gòu)安全評(píng)估與性能修復(fù)，結(jié)構(gòu)地震損傷識(shí)別、評(píng)估與診斷是其核心的內(nèi)容與目標(biāo)。及時(shí)且準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與評(píng)估將有效加速結(jié)構(gòu)性能評(píng)估的進(jìn)程，并減小評(píng)估時(shí)的不確定性。在強(qiáng)震觀測(cè)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)分析中，監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)象的模態(tài)信息是一類可行的選擇以作為損傷特征評(píng)價(jià)指標(biāo)，大量學(xué)者利用模態(tài)頻率和振型的變化(例如MAC 值)用于結(jié)構(gòu)損傷定性、定量和定位評(píng)價(jià)。然而，根據(jù)已有的公開文獻(xiàn)和實(shí)際案例研究，將識(shí)別模態(tài)特性用于非線性損傷程度量化評(píng)估的研究尚待發(fā)展與豐富。經(jīng)2.2 節(jié)梳理的Van Nuys酒店相關(guān)研究表明，可以將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與模型驅(qū)動(dòng)的兩類理論與方法融合，并進(jìn)一步考慮基于概率的數(shù)據(jù)挖掘與評(píng)估決策，來解決或補(bǔ)償?shù)卣饟p傷的非線性物理本質(zhì)、振動(dòng)模態(tài)不確定性和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不完備的問題或約束，推動(dòng)結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法從實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證擴(kuò)展到實(shí)際結(jié)構(gòu)強(qiáng)震監(jiān)測(cè)。

其次如圖2 所示，力學(xué)或計(jì)算模型的選擇需考慮模型可識(shí)別性、模型精細(xì)度和建模差異三者的耦合問題[72]。第一類模型即剪切梁模型僅考慮結(jié)構(gòu)側(cè)向水平自由度，無法描述高層結(jié)構(gòu)等高價(jià)值監(jiān)測(cè)對(duì)象的彎剪耦合行為，從而帶來較大的建模誤差，但其的最大優(yōu)勢(shì)在于自由度少，容易進(jìn)行模型參數(shù)識(shí)別，因此被大量學(xué)者采用與應(yīng)用。第二類模型有限元模型對(duì)監(jiān)測(cè)物理對(duì)象有最好的行為描述，可通過直接或迭代的方式修正模態(tài)矩陣或物理性質(zhì)從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力模型的更新，但其擁有大量的自由度與模型參數(shù)，在現(xiàn)有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不完備的條件下，其更新過程中參數(shù)的選擇仍具有一定的主觀性，并且模態(tài)特性的不確定性甚至使識(shí)別過程復(fù)雜化。第三類模型彎剪梁模型介于前兩類模型之間，采用剪切和彎曲彈簧的組合或鐵木辛柯梁單元考慮上述變形模式的耦合，相較于剪切梁模型具有更好的行為保真度，可通過消除由旋轉(zhuǎn)引起的無害層間位移，避免對(duì)上層響應(yīng)的過高估計(jì)，同時(shí)，相較于有限元模型具有更好的參數(shù)識(shí)別穩(wěn)定性，降低過度擬合優(yōu)化的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 地震損傷結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估

損傷結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)估可分為應(yīng)急評(píng)估和詳細(xì)評(píng)估。地震現(xiàn)場(chǎng)建筑的安全性是由場(chǎng)地環(huán)境、預(yù)期地震作用和結(jié)構(gòu)損傷狀況三個(gè)因素決定的[73]。考慮前述震損結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估的主要任務(wù)以及現(xiàn)行規(guī)范指導(dǎo)方針的局限性，基于強(qiáng)震觀測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐：一方面考察目標(biāo)建筑的環(huán)境狀況、余震風(fēng)險(xiǎn)分析給出的預(yù)期地震風(fēng)險(xiǎn)，利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)推算應(yīng)急評(píng)估時(shí)所需的工程需求參數(shù)并大體判別結(jié)構(gòu)當(dāng)前的性能狀態(tài)，加速震損結(jié)構(gòu)的安全應(yīng)急評(píng)估；另一方面，應(yīng)對(duì)大型復(fù)雜、難以進(jìn)行應(yīng)急評(píng)估的結(jié)構(gòu)，在場(chǎng)地條件和預(yù)期地震作用滿足規(guī)范要求時(shí)，考慮前述的監(jiān)測(cè)識(shí)別結(jié)果，結(jié)合使用儲(chǔ)備的健康狀態(tài)參考模型、易損性曲線來評(píng)估構(gòu)件或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的損傷狀態(tài)[74]，在修正預(yù)備的物理或計(jì)算參考模型后，結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與模型驅(qū)動(dòng)的方式[75]，以多源數(shù)據(jù)融合的形式驅(qū)動(dòng)對(duì)震損結(jié)構(gòu)安全性量化的詳細(xì)評(píng)估，為制定科學(xué)的災(zāi)后決策提供依據(jù)。

3.3 工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)未來展望

綜合現(xiàn)有國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，未來對(duì)工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析挖掘與安全評(píng)估，可考慮在以下方面進(jìn)一步開展工作：

1)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類型的多元化。受限于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的種類與數(shù)量，結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)已無法進(jìn)一步滿足結(jié)構(gòu)評(píng)估理論的發(fā)展要求。需要以工程實(shí)際可應(yīng)用為目標(biāo)，發(fā)展基于物聯(lián)感知、計(jì)算機(jī)視覺、5G 通信等的高性價(jià)比監(jiān)測(cè)技術(shù)，用于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)評(píng)估參數(shù)(樓層層間位移角、結(jié)構(gòu)/構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)自由度等)的監(jiān)測(cè)與識(shí)別。

2)結(jié)構(gòu)非線性行為的模擬與預(yù)測(cè)。結(jié)構(gòu)地震損傷本質(zhì)上是非線性的，基于非線性概念與模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)可有效地進(jìn)行損傷評(píng)估和預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)剩余壽命[76-77]。近年來，基于機(jī)器學(xué)習(xí)并結(jié)合長短期記憶網(wǎng)絡(luò)(LSTM)的算法被證實(shí)能夠魯棒的模擬和預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)非線性行為[78]，并有效克服卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中不適宜預(yù)測(cè)較大塑性變形和梯度消失等困難[79-80]。此類算法一定程度上突破了對(duì)高度非線性行為模擬困難的瓶頸，為損傷評(píng)估和結(jié)構(gòu)剩余壽命的預(yù)測(cè)提供技術(shù)手段。

3)工程結(jié)構(gòu)抗震韌性評(píng)估?？拐痦g性是當(dāng)前地震工程領(lǐng)域的重要研究方向，其中，可恢復(fù)性評(píng)估是韌性評(píng)價(jià)體系的重要內(nèi)容，它為應(yīng)急管理的科學(xué)決策提供了重要依據(jù)。目前絕大多數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的抗震韌性研究以對(duì)功能評(píng)估為主，抗震韌性評(píng)估需明確結(jié)構(gòu)的災(zāi)變過程及恢復(fù)機(jī)理。強(qiáng)震觀測(cè)技術(shù)通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷，追蹤量化恢復(fù)過程，最終建立韌性恢復(fù)評(píng)價(jià)方法[81]。基于強(qiáng)震觀測(cè)數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)方法顯著降低該評(píng)價(jià)過程中的不確定性，提高評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性，并為制定科學(xué)的災(zāi)后決策提供依據(jù)。

4 結(jié)論

本文從我國的地震風(fēng)險(xiǎn)性、歷史震害啟示中得出我國推廣布設(shè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)系統(tǒng)的必要性及意義。統(tǒng)計(jì)了國內(nèi)外成功應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的典型結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)系統(tǒng)案例，并根據(jù)這些典型工程案例強(qiáng)震觀測(cè)設(shè)置情況發(fā)現(xiàn)，受制于技術(shù)手段的發(fā)展水平，目前的結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)系統(tǒng)存在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)種類單一和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不完備等問題與約束。

本文闡述了從結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)數(shù)據(jù)挖掘到結(jié)構(gòu)性能評(píng)估之間的內(nèi)在邏輯，在此基礎(chǔ)上，描述了Van Nuys 酒店長期服役期內(nèi)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化過程，由此表明服役結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估面對(duì)的物理對(duì)象是地震災(zāi)害、人類決策耦合作用下工程結(jié)構(gòu)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化過程。通過對(duì)Van Nuys 酒店以及東日本大地震下不同強(qiáng)震觀測(cè)結(jié)構(gòu)性能評(píng)估研究中的相關(guān)數(shù)據(jù)挖掘方法、評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行梳理，深入分析了當(dāng)前數(shù)據(jù)研究與評(píng)估方法存在的問題，并揭示將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與模型驅(qū)動(dòng)的兩類理論與方法融合的發(fā)展前景。根據(jù)現(xiàn)有研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)未來強(qiáng)震觀測(cè)研究從三個(gè)方面進(jìn)行展望：

(1)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)多元化；

(2)結(jié)構(gòu)非線性模擬與預(yù)測(cè)；

(3)工程結(jié)構(gòu)抗震韌性評(píng)估。