[发明专利]一种基于监测数据的高拱坝应力预测模型构建方法

权利要求书

1.一种基于监测数据的高拱坝应力预测模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：应变计组应力计算：结合高拱坝无应力计和应变计组监测数据，计算高拱坝单轴应变；根据计算的高拱坝单轴应变，结合混凝土试验得到的弹性模量和徐变度公式，通过变形法计算高拱坝的应力；

S2：LightGBM高拱坝应力预测模型建立：将步骤S1计算所得高拱坝的应力和确定的高拱坝应力影响因素划分训练集和预测集，基于划分的训练集和预测集以及LightGBM算法建立高拱坝应力预测模型；

S3：种群初始化：设置麻雀搜索算法的相关参数和LightGBM超参数的范围，使用Tent混沌映射理论和折射反向学习初始化超参数的麻雀种群；

S4：最优超参数计算：利用步骤S2建立的LightGBM高拱坝应力预测模型对训练集进行训练，计算麻雀个体对预测集的适应度值；更新发现者、加入者和侦察者位置，计算麻雀种群适应度值；利用自适应t分布对所有麻雀位置进行变异，更新麻雀种群位置；判断算法是否达到最大迭代次数，不满足则返回计算麻雀个体的适应度值，满足则输出最优超参数；

S5：可解释的高拱坝应力预测模型建立：根据步骤S4计算的最优超参数，引入SHAP框架，建立可解释的LightGBM高拱坝应力预测模型，所述可解释的LightGBM高拱坝应力预测模型用于评估高拱坝应力影响因素的重要性。

2.根据权利要求1所述的一种基于监测数据的高拱坝应力预测模型构建方法，其特征在于，步骤S1中应变计组应力计算的具体步骤如下：

S11、结合高拱坝无应力计监测数据，建立无应力计统计模型方程：

ε₀＝a₀+a₁T+a₂t+a₃Ln(1+t)+a₄e^kt      (1)

式中：ε₀为无应力计实测值，T为无应力计当前测点温度，t为距分析起始日期的时间长度，a₀,a₁,a₂,a₃,a₄为回归系数，k取-0.01；

S12、通过最小二乘法得到步骤S11中的回归系数，结合高拱坝应变计组监测数据，扣除混凝土自由体积变形得到外部荷载作用下的应力应变ε_n的计算公式如下：

式中：为应变计组某一方向应变的实测值，为应变计组实测温度的平均值；

S13、任一方向n的应力应变ε_n与正应变、切应变满足如下关系：

ε_n＝ε_xl²+ε_ym²+ε_zn²+γ_xylm+γ_yzmn+γ_zxnl  (3)

式中：ε_x、ε_y、ε_z是x、y、z坐标轴向的正应变，γ_xy、γ_yz、γ_zx是xy、yz、zx坐标面上的切应变，l、m、n是方向余弦，l＝cos(n,x)、m＝cos(n,y)、n＝cos(n,z)；

解如下方程组将实测应变转换为正应变和切应变：

E_n＝Aε                      (4)

式中：E_n是各向应变计扣除自由体积变形后应变ε_n的向量，A是l、m、n构成的系数矩阵，ε是正应变和切应变的向量；

S14、应变计组单轴应变的计算式如下：

式中：ε^′_x、ε^′_y、ε_z^′是x、y、z坐标轴向的单轴应变，γ_y^′_z、γ_x^′_z,、γ_x^′_y是xy、yz、zx坐标面上的单轴应变；

S15、将单轴应变过程线划分为一系列不等的时段，采用以下加载方式计算各时段应力增量：

式中：τ_i为第i个计算时段的终点龄期；为第i个计算时段的中点龄期，ε_i^′为第i个计算时段终点龄期的单轴应变；为时刻混凝土的瞬时弹性模量；表述以为加荷龄期持续到τ_i的徐变度度；表示以龄期加荷单位应力持续到τ_i的总变形的导数，称为τ_i时刻的持续弹性模量；Δσ(τ_i)为τ_i时刻的应力增量；

叠加得到任一时刻的应力：

式中：σ(τ_n)为任一时刻τ_n的拱向、径向或垂直向应力。