一种基于随机车致响应监测的桥梁有限元模型修正方法

本发明属于桥梁结构健康监测领域，具体涉及一种基于随机车致响应监测的桥梁有限元模型修正方法。

背景技术：

1、大跨度桥梁作为交通系统的重要组成部分，在运营阶段暴露在许多不同的环境及荷载作用下，极端荷载条件、材料劣化、车辆超载等都会导致结构损坏，影响桥梁运行安全。有限元模型fem是预测桥梁静动力性能，进行桥梁状态评估的一种强大的数值分析工具。然而，基于设计文件建立的初始有限元模型由于建模过程中的简化和误差、结构参数的不确定性等原因，往往不能描述物理结构。为了有效地评估桥梁的性能和安全性，需要进行有限元模型修正，通过修正结构设计参数减少有限元模型预测值与实验测量值之间的差异。

2、目前，现有方法主要包括基于静态响应的模型修正和基于动力响应的模型修正。其中静态测试和数据处理不那么复杂，而且静态测量通常比动态测量具有更高的精度。因此，基于静力特性的有限元模型修正技术对大跨桥梁的力学状态的评价更为可靠和实用。如公开号为cn107844669a和cn106706239a的专利，通过荷载试验获得静力响应，从而修正有限元模型。然而，基于静态的模型修正的前提是需要已知的静态负载和对应的静力响应，这可能会造成长期中断交通。对大跨桥梁来说，封桥荷载试验成本太高，经常测试对业主来说可能是难以承担的。并且近年来，公众对交通项目的期望有所提高，现在人们普遍认为，从基础设施系统收集数据，应对人们的日常使用的干扰最小。

3、为此，本发明提出了一种基于随机车致响应监测的桥梁有限元模型修正方法。根据长期监测随机车流和静力响应的统计特征，将具有一定统计特征的随机车流荷载作为已知静力荷载，通过减少有限元预测响应统计特征和实际响应统计特征之间的误差来修正模型，避免封桥荷载试验中断交通的巨大成本。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于随机车致响应监测的桥梁有限元模型修正方法。

2、本发明的技术方案：

3、一种基于随机车致响应监测的桥梁有限元模型修正方法，步骤如下：

4、步骤1.从有限元中获取随机车致响应

5、(1.1)根据动态称重系统wim监测数据获取随机车流加载信息

6、根据wim随机车流的车重、车速、车道和车辆到达时间，获取随机车流的车重、车速和车间距的概率统计特征，通过蒙特卡洛抽样，模拟实际随机车流；随机车流的加载信息包括车辆纵向行驶位置、车辆横向位置和车辆荷载大小；车辆纵向行驶位置由随机车流的车速和车间距确定，车辆横向行驶位置由随机车流的车道信息确定，荷载大小由随机车流的车重确定；

7、(1.2)有限元影响面提取和随机车致响应获取

8、有限元模型修正需要重复多次迭代加载，在修正过程中，通过在有限元中迭代加载单位力，提取有限元影响面，在有限元影响面上加载随机车流，获取有限元预测准静态随机车致响应；随机车流的加载时间步长与实际响应监测数据的采样频率保持一致；

9、步骤2.从实际监测响应数据中提取随机车致响应

10、结构健康监测shm系统实际监测到的荷载响应包括车致响应以及温度效应引起的静载响应；因此，需要对实际监测到的静载响应数据进行处理，提取准静态车致响应；步骤如下：

11、(2.1)对原始荷载响应数据进行初步清洗，剔除数据异常值；使用移动窗口方法，每10分钟求一次荷载响应的概率密度最大值对应的荷载响应作为该时段内温度效应等引起的静载响应；

12、(2.2)从实际监测荷载响应中减掉步骤(2.1)中提取的静载响应时变趋势项，得到随机车致响应；

13、(2.3)通过低通滤波法去除噪声和动力效应，得到实际监测准静态随机车致响应；

14、步骤3.基于随机车致响应的有限元模型修正

15、(3.1)基于随机车致响应特征建立有限元修正目标函数

16、步骤1和步骤2分别得到有限元预测准静态随机车致响应和实际监测准静态随机车致响应；长期随机车致响应符合的概率分布，通过高斯混合模型进行很好的拟合，随机车致响应的拟合参数包括高斯分布个数、权重、均值和标准差；由m个高斯分布组合合成的随机车致响应概率模型的表达式如下：

17、

18、式中，x为长期随机车致响应数据，表示随机车致响应的第i个高斯分布的概率密度函数，wi表示随机车致响应的第i个高斯分布的权重，μi和σi分别表示随机车致响应的第i个高斯分布对应的均值和标准差；

19、基于随机车致响应概率特征的有限元模型修正目标函数f表达为每个测点实测响应和预测响应概率模型参数之间的误差，如下式：

20、

21、其中，j为实际监测荷载响应测点总数，和分别为第j个测点实际监测和有限元预测随机车致响应概率模型的第i个高斯分布权重，和分别为第j个测点实际监测和有限元预测随机车致响应概率模型的第i个高斯分布的均值，和分别为第j个测点实际监测和有限元预测随机车致响应概率模型的第i个高斯分布的标准差；

22、(3.2)基于随机车致响应的模型修正实现

23、通过工程经验和灵敏度分析方法选取可能存在有限元建模误差的灵敏度较高的模型修正参数；根据步骤(3.1)建立的目标函数，通过优化算法更新选取的模型参数使得基于随机车致响应概率特征的目标函数达到最小值，从而实现有限元模型修正。

24、本发明的有益效果：

25、1、本发明将已知概率特征的随机交通荷载作为已知静态负载，通过减小实际响应概率特征和有限元预测响应概率特征之间的误差，能够很好地实现基于静力响应监测数据的有限元模型修正，避免封桥荷载试验带来的不便和成本；

26、2、本发明的基于有限元提取影响面加载随机车流的加载方式，可以有效解决在有限元中加载一段较长时间的随机车流需要花费大量时间，造成优化时间过长，效率过低的问题，提高了基于随机车流和静态响应监测数据统计特征的桥梁有限元模型修正效率；

27、3、本发明的通过滑动响应区间取最大响应概率的方法可以有效剔除监测响应中的温度效应等环境因素的影响，得到更准确的静力车致响应，提高了基于随机车致响应监测的桥梁有限元模型修正方法的准确性；

28、4、本发明的基于随机车致响应监测数据的桥梁有限元模型修正方法可以适用于任意能够获取长期随机车流和响应监测数据的桥梁，具有较高的普适性。

技术特征：

1.一种基于随机车致响应监测的桥梁有限元模型修正方法，其特征在于，步骤如下：

技术总结
一种基于随机车致响应监测的桥梁有限元模型修正方法，步骤如下：从有限元中获取随机车致响应；从实际监测响应数据中提取随机车致响应；基于随机车致响应的有限元模型修正。该方法将已知概率特征的随机车流荷载作为已知静态负载，通过减小实际响应概率特征和有限元预测响应概率特征的误差，能够很好地实现基于静力响应监测数据有限元模型修正，避免封桥荷载试验带来的不便和成本。基于有限元提取影响面加载随机车流的加载方式，能够提高基于随机车流和静态响应监测数据统计特征的桥梁有限元模型修正效率。本发明可以适用于任意能够获取长期随机车流和响应监测数据的桥梁，具有较高的普适性。

技术研发人员：伊廷华,管泽鑫,杨东辉,李文杰,李冲
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15