一种桥梁区间移动荷载识别方法技术

本发明专利技术公开了一种桥梁区间移动荷载识别方法，是考虑桥梁的不确定性参数，首先利用应变传感器获得桥梁在未知荷载作用下的应变响应，基于时域内的移动荷载识别方法，建立确定性桥梁结构的荷载识别模型；其次将桥梁的不确定性参数用区间参数来表示，对待识别荷载在区间参数中点处采用二阶泰勒级数展开，得到含区间参数的移动荷载的优化公式；然后将优化公式进行简化，将简化后的公式看作一个关于区间参数的二次函数，从而能快速得到该函数的最大值与最小值，并获得待识别荷载的上界和下界。本发明专利技术考虑了桥梁参数的不确定性，符合实际情况，同时计算量较小，在参数的不确定量超过特定界限时，也能快速有效地识别出移动荷载的区间。

【技术实现步骤摘要】
一种桥梁区间移动荷载识别方法
本专利技术涉及桥梁结构健康监测领域，具体地说是一种桥梁区间移动荷载识别方法。
技术介绍
随着社会的进步与科学技术的不断发展，现代工程对结构健康监测的要求越来越严格，桥面车辆移动荷载是桥梁使用过程中受到的最重要的荷载之一，影响着桥梁的使用寿命，是其使用状态评定与安全性能评估的重要依据。对于桥梁移动荷载的测量，国内外学者已经做过不少的研究，也取得了一系列的成果，主要有直接测量法和间接测量法。直接测量法即在荷载的传递路径上放置传感器，测量荷载本身或与荷载有关的参数来确定荷载大小。但是由于荷载作用位置和方向的多变以及复杂的工作环境等因素影响，直接测量法很难实现。此时，间接测量桥梁移动荷载就显得十分有必要。间接测量法即通过测量相对容易获得且准确的桥梁动力响应，根据桥梁的动力学特性，识别出桥梁所受荷载。在实际工程中，由于桥梁结构制造公差、安装和测量误差等因素，桥梁结构参数，如材料属性数据、尺寸数据、边界条件等往往具有各种各样的不确定性因素，使桥梁结构的移动荷载识别问题成为不确定性问题。目前针对该问题所使用的方法主要是基于一阶泰勒展开的区间反求方法。由于使用一阶泰勒公式近似模拟荷载，该方法在区间参数不确定量达到特定界限时，对移动荷载区间的识别会失效。
技术实现思路
本专利技术是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提供一种桥梁区间移动荷载识别方法，以期能避免一阶区间分析方法的失效问题，同时只需要较少的计算量，就能在参数的不确定量超过特定界限时，也能快速有效地识别出移动荷载的区间。本专利技术为达到上述专利技术目的，采用如下技术方案：本专利技术一种桥梁区间移动荷载识别方法的特点，包括以下步骤：步骤1：构建描述移动荷载—应变响应关系的系统特性矩阵[A]，所述系统特性矩阵[A]中包含m个桥梁参数，且m个桥梁参数中包括n个区间参数；任意第i个区间参数记为ai＝[ail,aiu]，其中，ail为第i个区间参数的下界，aiu为第i个区间参数的上界，i＝1,2,3,…,n，n为区间参数的个数；步骤2：在桥梁上布置若干应变传感器，用于记录车辆行驶在桥梁上的应变响应；步骤3：将移动荷载在时间域内离散为一系列阶跃核函数，同时对杜哈梅积分在时间域内进行离散化，从而建立如式(1)所示的确定性桥梁结构的荷载识别模型：[A]{f}＝{ε}(1)式(1)中，{f}为离散后的移动荷载向量，{ε}为离散后的应变响应向量；步骤4：采用二阶泰勒级数对在区间参数中点处待识别的移动荷载进行展开，得到如式(2)所示的含区间参数移动荷载的优化公式：式(2)中，t为车辆行驶在桥梁上的时间；f(t,a)为t时刻区间移动荷载，f(t,ac)为t时刻所有区间参数中点处的移动荷载；ac为所有区间参数的中值，且ac＝0.5(au+al)，al为所有区间参数的下界，au为所有区间参数的上界；aic为第i个区间参数的中值，aic＝0.5(aiu+ail)；ajc为第j个区间参数的中值，ajc＝0.5(aju+ajl)，air为第i个区间参数的半径，air＝0.5(aiu-ail)；ajr为第j个区间参数的半径，ajr＝0.5(aju-ajl)，i,j＝1,2,3,…,n；步骤5：对式(2)进行简化，再以区间参数值作为变量，计算简化后的公式的最大值与最小值，从而获得待识别荷载的上界与下界：步骤5.1：忽略海森矩阵的非对角元素，得到如式(3)所示的简化后的公式：步骤5.2：以第i个区间参数值aix作为变量，且aix∈[ail,aiu]，令从而得到如式(4)所示的所有区间参数中点处的移动荷载与n个二次函数之和的表达式：步骤5.3：通过式(1)计算所有区间参数中点处的移动荷载f(t,ac)；步骤5.4：使用差分法计算待识别的移动荷载关于第i个区间参数ai在中点处的一阶偏导fai1和二阶偏导fai2；步骤5.5：计算式(4)中各个二次函数的最大值与最小值，从而利用式(5)和式(6)分别得到待识别的移动荷载的上界fu(t,a)与下界fl(t,a)：与现有技术相比，本专利技术有益效果体现在：1、本专利技术考虑了桥梁参数的不确定性，更加符合实际。将二阶泰勒展开式与区间数学理论结合，将不确定性桥梁结构的移动荷载识别问题转化为确定性问题，从而能高效地识别移动荷载的上、下界。2、本专利技术很好的利用了基于二阶泰勒展开得到的优化公式，在不确定性参数水平超过特定界限时，能够在不引入过多计算量的情况下，避免一阶区间分析方法的失效问题，从而得到更为精确的荷载范围。附图说明图1为本专利技术一种桥梁区间移动荷载识别方法的流程示意图；图2为本专利技术数值模拟简支梁桥模型图；图3为本专利技术算例1简支梁桥的典型应变响应图；图4为本专利技术算例1区间中点处的识别荷载图；图5为本专利技术算例1一阶区间分析方法，蒙特卡罗方法和本专利技术方法识别荷载上界的对比图；图6为本专利技术算例1一阶区间分析方法，蒙特卡罗方法和本专利技术方法识别荷载下界的对比图；图7为本专利技术算例2简支梁桥的典型应变响应图；图8为本专利技术算例2区间中点处的识别荷载图；图9为本专利技术算例2一阶区间分析方法，蒙特卡罗方法和本专利技术方法识别荷载上界的对比图；图10为本专利技术算例2一阶区间分析方法，蒙特卡罗方法和本专利技术方法识别荷载下界的对比图。具体实施方式本实施例中，一种桥梁区间移动荷载识别方法的原理如图1所示，所使用的简支梁桥模型如图2所示，具体包括以下步骤：步骤1：构建描述移动荷载—应变响应关系的系统特性矩阵[A]，系统特性矩阵[A]中包含m个桥梁参数，且m个桥梁参数中包括n个区间参数；任意第i个区间参数记为ai＝[ail,aiu]，其中，ail为第i个区间参数的下界，aiu为第i个区间参数的上界，i＝1,2,3,…,n，n为区间参数的个数。例如：桥梁长度L＝40m，单梁宽度b＝0.8m，前三阶阻尼比分别为0.02、0.02和0.04，车辆移动速度v＝40m/s。同时有三个区间参数：弹性模量E＝[2.7×1011,3.3×1011]Pa，线密度ρ＝[10800,13200]kg/m，桥梁高度h＝[1.44,1.76]m；步骤2：在桥梁上布置若干应变传感器，用于记录车辆行驶在桥梁上的应变响应。例如：在桥梁1/4跨处，跨中和3/4跨处分别布置三个应变传感器，测得的应变结果如图3所示；步骤3：将移动荷载在时间域内离散为一系列阶跃核函数，同时对杜哈梅积分在时间域内进行离散化，从而建立如式(1)所示的确定性桥梁结构的荷载识别模型：[A]{f}＝{ε}(1)式(1)中，{f}为离散后的移动荷载向量，{ε}为离散后的应变响应向量；步骤4：采用二阶泰勒级数对在区间参数中点处待识别的移动荷载进行展开，得到如式(2)所示的含区间参数移动荷载的优化公式：式(2)中，t为车本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种桥梁区间移动荷载识别方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：构建描述移动荷载—应变响应关系的系统特性矩阵[A]，所述系统特性矩阵[A]中包含m个桥梁参数，且m个桥梁参数中包括n个区间参数；任意第i个区间参数记为a

【技术特征摘要】
1.一种桥梁区间移动荷载识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：构建描述移动荷载—应变响应关系的系统特性矩阵[A]，所述系统特性矩阵[A]中包含m个桥梁参数，且m个桥梁参数中包括n个区间参数；任意第i个区间参数记为ai＝[ail,aiu]，其中，ail为第i个区间参数的下界，aiu为第i个区间参数的上界，i＝1,2,3,…,n，n为区间参数的个数；
步骤2：在桥梁上布置若干应变传感器，用于记录车辆行驶在桥梁上的应变响应；
步骤3：将移动荷载在时间域内离散为一系列阶跃核函数，同时对杜哈梅积分在时间域内进行离散化，从而建立如式(1)所示的确定性桥梁结构的荷载识别模型：
[A]{f}＝{ε}(1)
式(1)中，{f}为离散后的移动荷载向量，{ε}为离散后的应变响应向量；
步骤4：采用二阶泰勒级数对在区间参数中点处待识别的移动荷载进行展开，得到如式(2)所示的含区间参数移动荷载的优化公式：



式(2)中，t为车辆行驶在桥梁上的时间；f(t,a)为t时刻区间移动荷载，f(t,ac)为t时刻所有区间参数中点处的移动荷载；ac为所有区间参数的中值，且ac＝0.5(au+al)，al为所有区间参数的下界，au...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺文宇，易靖贤，李祎琳，王佐才，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34