Nonlinear characteristics in the dynamic behaviors of civil structures degrade the performance of damage detection of the linear theory based traditional time- and frequency-domain methods. To overcome this challenge, this paper proposes a damage detection approach for nonlinear structures based on Variational Mode Decomposition (VMD). In this approach, the measured dynamic responses from nonlinear structures under earthquake excitations are adaptively decomposed into a finite number of monocomponents by using VMD. Each decomposed mono-component represents an amplitude modulated and frequency modulated (AMFM) signal with a limited frequency bandwidth. Hilbert transform is then employed to identify the instantaneous modal parameters of the decomposed monomodes, including instantaneous frequencies and mode shapes. Based on the identified modal parameters from the decomposed structural dynamic responses, two damage indices are defined to identify the location and severity of structural damage, respectively. To validate the effectiveness and accuracy of the proposed approach, a nonlinear seven-storey shear building model with four different damage cases under earthquake excitations is used in the numerical studies. In experimental verifications, data from shake table tests on a 12-storey scaled reinforced concrete frame structure with different earthquake excitations are analyzed with the proposed approach. The results in both numerical studies and experimental validations demonstrate that the proposed approach can be successfully applied for nonlinear structural damage identification.

中文翻译：

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基于变分模态分解的初始非线性结构损伤检测

土木结构动态行为中的非线性特性降低了基于线性理论的传统时域和频域方法的损伤检测性能。为了克服这一挑战，本文提出了一种基于变分模态分解（VMD）的非线性结构损伤检测方法。在这种方法中，地震激发下非线性结构的测量动态响应通过使用 VMD 自适应地分解为有限数量的单分量。每个分解的单分量表示具有有限频率带宽的调幅和调频 (AMFM) 信号。然后使用希尔伯特变换来识别分解后的单模的瞬时模态参数，包括瞬时频率和模态形状。基于从分解的结构动力响应中识别出的模态参数，定义了两个损伤指数来分别识别结构损伤的位置和严重程度。为了验证所提出方法的有效性和准确性，在数值研究中使用了在地震激发下具有四种不同破坏情况的非线性七层剪力建筑模型。在实验验证中，采用所提出的方法分析了具有不同地震激励的 12 层比例钢筋混凝土框架结构的振动台测试数据。数值研究和实验验证的结果表明，所提出的方法可以成功地应用于非线性结构损伤识别。定义了两个损伤指数来分别识别结构损伤的位置和严重程度。为了验证所提出方法的有效性和准确性，在数值研究中使用了在地震激发下具有四种不同破坏情况的非线性七层剪力建筑模型。在实验验证中，采用所提出的方法分析了具有不同地震激励的 12 层比例钢筋混凝土框架结构的振动台测试数据。数值研究和实验验证的结果表明，所提出的方法可以成功地应用于非线性结构损伤识别。定义了两个损伤指数来分别识别结构损伤的位置和严重程度。为了验证所提出方法的有效性和准确性，在数值研究中使用了在地震激发下具有四种不同破坏情况的非线性七层剪力建筑模型。在实验验证中，采用所提出的方法分析了具有不同地震激励的 12 层比例钢筋混凝土框架结构的振动台测试数据。数值研究和实验验证的结果表明，所提出的方法可以成功地应用于非线性结构损伤识别。数值研究中使用了在地震激发下具有四种不同破坏情况的非线性七层剪力建筑模型。在实验验证中，采用所提出的方法分析了具有不同地震激励的 12 层比例钢筋混凝土框架结构的振动台测试数据。数值研究和实验验证的结果表明，所提出的方法可以成功地应用于非线性结构损伤识别。数值研究中使用了在地震激发下具有四种不同破坏情况的非线性七层剪力建筑模型。在实验验证中，采用所提出的方法分析了具有不同地震激励的 12 层钢筋混凝土框架结构的振动台测试数据。数值研究和实验验证的结果表明，所提出的方法可以成功地应用于非线性结构损伤识别。