[发明专利]基于子结构灵敏度分析的船撞桥荷载与损伤同步识别方法

权利要求书

1.一种基于子结构灵敏度分析的船撞桥荷载与损伤同步识别方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将桥梁节点作为测点，获得实际桥梁测点处的实时加速度数值，计算每个测点处的加速度均方根，若某个测点处的加速度均方根超出指定值，则认为该测点处有船撞桥事件发生；

所述步骤(1)进一步包括以下子步骤：

(1.1)在结构上安装加速度传感器，获得结构节点处的加速度时程响应；

(1.2)计算每个测点处的加速度均方根，计算正常使用情况下的加速度均方根均值μ以及标准差σ，

(1.3)利用拉依达准则，计算加速度均方根均值μ以及标准差σ从而得到CL以及上、下控制线UCL、LCL，其中，

CL＝μ

UCL＝μ+2σ

LCL＝μ-2σ

当有测点的加速度均方根超过上、下控制线时判断发生了船桥碰撞，而碰撞位置处加速度均方根最大，由此得到碰撞位置；

(2)若判断有船撞桥事件发生，则采用契比雪夫正交项表示未知船撞桥荷载，用单元刚度系数表示结构整体刚度，从而得到用契比雪夫正交项和单元刚度系数表示的有船撞桥事件发生时桥梁的结构运动方程；

(3)求解步骤(2)得到的结构运动方程，得到结构节点处的动力响应，包括位移、速度和加速度；

(4)求出计算得到的动力响应和实际动力响应间的差值，建立关于契比雪夫正交项系数和结构刚度系数的目标函数表达式；

(5)计算结构动力响应基于契比雪夫正交项系数和单元刚度系数的灵敏度矩阵，使步骤(4)的目标函数逐渐变小并收敛；

(6)解得契比雪夫正交项系数和结构刚度系数，代入步骤(2)的结构运动方程得到船撞桥荷载，并根据结构刚度系数判断桥体损伤程度：结构刚度系数小于1，表示碰撞后单元刚度小于碰撞前单元刚度；结构刚度系数大于1，表示碰撞后单元刚度大于碰撞前单元刚度；结构刚度系数等于1则表示碰撞后单元刚度等于碰撞前单元刚度。

2.如权利要求1所述的一种基于子结构灵敏度分析的船撞桥荷载与损伤同步识别方法，其特征在于，所述步骤(2)进一步包括以下子步骤：

(2.1)构建桥梁结构的运动方程：

式中，M为质量矩阵，C为阻尼矩阵，K是结构的刚度矩阵，x代表结构节点处的位移；代表结构节点处的速度；代表结构节点处的加速度，F为外部荷载；

(2.2)利用契比雪夫正交项表示某外荷载F(t)，如下式：

式中，c_m为外荷载的第m个正交项展开系数，T_m(t)为外荷载的第m个正交项，N_m为外荷载的正交项展开阶数；

式中，L_e为信号的长度；

(2.3)假设实际结构的刚度等于每个单元刚度乘以一刚度系数然后求和，结构刚度识别即转化为识别单元刚度系数问题；整体的结构刚度K表示为：

式中，a_j为第j个单元的刚度系数；N_e为结构单元数；表示第j个单元的单元刚度；

(2.4)根据步骤(2.1)～(2.3)获得用契比雪夫正交项表示的运动方程：

3.如权利要求2所述的一种基于子结构灵敏度分析的船撞桥荷载与损伤同步识别方法，其特征在于，所述步骤(3)进一步包括以下子步骤：

(3.1)设荷载作用时间为t₀，求解(2.4)得到的运动方程，将荷载作用时间t₀分成q等分，步长为并据此给出动力响应x、的初始值x(0)、和

(3.2)设定积分常数：

其中，Δt为积分步长，参数γ、β为经验参数；

(3.3)构建有效刚度矩阵并计算得到逆矩阵

(3.4)计算第一个时间步的有效荷载

其中，{F₁}表示第一个时间步的荷载；

(3.5)求出第一个时间步时的位移x(1)：

(3.6)求出第一个时间步时的加速度和速度

(3.7)重复(3.4)-(3.6)的步骤，计算到第q时间步，从而得到整个结构的在作用时间t₀内的动力响应的理论值Q^E。