[发明专利]一种基于时变温度响应的桥梁结构概率基准有限元模型构建方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于时变温度响应的桥梁结构概率基准有限元模型构建方法。

背景技术

桥梁结构的安全与人们的出行安全息息相关，如何准确地诊断桥梁结构状态以保障人们的出行安全显得尤为重要。随着结构健康监测技术的快速发展，在桥梁结构中建立结构健康监测系统被视为保障桥梁结构安全运营的一种有效手段。通常利用结构健康监测系统进行桥梁结构的损伤诊断的方式有两种，一种是基于数据驱动的方法，另一种是基于模型驱动的方法。在基于模型驱动的桥梁结构损伤识别方法中，一个准确描述桥梁结构状态的基准有限元模型是必不可少的。

然而，现有的基准有限元模型通常是通过有限元模型修正来获得的，其假定结构的每个参数只有一个真实值，然而，对于一座实际桥梁的健康监测项目而言，由于监测时间长，温度响应可以作为一个时变函数，同时模态参数会受温度的影响而变化。因此，用一个确定的值来描述时变温度响应下的模态参数是不合理的。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统基准有限元模型无法描述时变温度响应下桥梁结构模态参数概率分布的问题，而提出一种基于时变温度响应的桥梁结构概率基准有限元模型构建方法。

一种基于时变温度响应的桥梁结构概率基准有限元模型构建方法包括以下步骤：

本发明是针对时变温度响应影响下，实际桥梁结构材料参数及节点连接刚度往往随环境温度的变化而改变，进而使得桥梁结构模态参数不再具有唯一性这一事实，提出建立桥梁结构概率基准有限元模型。首先，对桥梁海量监测模态参数进行聚类分析；在此基础上，建立结构模态参数与模型修正参数的数学关系模型，以实现桥梁有限元动力分析的计算效率优化；再次，提出桥梁概率基准有限元模型修正参数初值的有效估算方法；通过优化求解桥梁结构有限元模型修正的优化问题，最终建立桥梁结构的概率基准有限元模型。

步骤一：建立桥梁结构模态参数与环境温度的特征样本集合，并依据高斯分布形式进行聚类分组；

步骤二：针对步骤一得到的不同聚类组，分别建立桥梁结构有限元模型及克里金(Kriging)模型；

步骤三：使用步骤二建立的克里金模型及遗传算法，对步骤二建立的桥梁结构有限元模型的修正参数均值进行修正，建立桥梁结构的基准有限元模型；

步骤四：根据步骤三建立的桥梁结构基准有限元模型，确定概率基准有限元模型修正参数的初值；

步骤五：根据步骤四所确定的修正参数初值，对步骤三建立的桥梁结构的基准有限元模型的修正参数协方差进行修正，建立桥梁结构的概率基准有限元模型。

本发明提出概率基准有限元模型的概念，对这一变化过程中的模态参数给予一个合理概率分布，使其符合温度变化对其的影响。利用概率基准有限元模型来描述桥梁结构的实际运营状态。同时，在桥梁结构损伤定位和定量领域中，概率基准有限元模型会改变现有基准模型只能给予一个损伤点或一个损伤量的情况，而是用一个合理的损伤区域和损伤值范围来代替，使其判别结果更符合实际情。本发明所提出的概率基准有限元模型为时变温度下桥梁结构损伤定位及定量提供了基准参考模型，从而有利于时变环境下实际桥梁结构损伤诊断。

本发明的有益效果为：

本发明所提方法能够解决传统基准有限元模型无法描述时变温度响应下桥梁结构模态参数概率分布的问题；同时，在传统基准有限元模型构建方法基础上，所提方法只需增加一步计算，即可大幅度提高桥梁有限元修正中修正参数协方差的计算精度。利用本发明所建立的桥梁结构概率基准模型，可大幅提高时变温度下实际桥梁结构损伤定位及定量的成功概率。

本发明所述的基于时变温度响应的桥梁结构概率基准有限元模型构建方法，利用桥梁结构模态参数与环境温度的特征样本集合，得到时变温度影响下满足不同高斯分布的桥梁结构模态参数聚类组。由于实际桥梁结构的监测数据量很大且受到时变温度响应的影响，模态参数呈现出多个高斯分布累加的分布形式，此时已不能再由一个高斯分布来准确的描述。此方法可以避免，对多个高斯分布仍用一个高斯分布去描述的情况，从而提高概率基准模型的精度。

本发明建立桥梁结构有限元模型及Kriging模型。考虑实际桥梁监测数据趋于海量且海量数据分析效率低等因素，直接使用桥梁有限元模型进行传统的模型修正已不现实，因此，提出直接建立桥梁有限元模型修正的修正参数与结构模态参数的数学关系模型，从而大幅度提高了桥梁有限元模型动力分析的计算效率，使基于海量监测数据的实际桥梁有限元模型修正成为可能。