桥梁的温差效应系数计算方法和主梁服役性能评价方法

本发明涉及桥梁结构监测，尤其是一种桥梁的温差效应系数计算方法和主梁服役性能评价方法。

背景技术：

1、桥梁结构处于外界环境中，大气温度变化，太阳辐射强弱变化，高温、雨雪、寒潮等极端天气状况都会引起桥梁结构温度的剧烈变化，由于材料的热胀冷缩以及由此引发的结构变形，都可能导致桥梁结构产生附加的内力。已有研究表明日变化温度场和季节变化温度场可以引起显著的应力水平，明显超过由车辆荷载引起的应力水平。

2、以天为单位的温度效应研究可知，由于箱梁结构的上表面直接接受太阳辐射作用，因此箱梁顶板升温较快，而混凝土材料的热传导能力相对较差，此时箱梁底板相对顶板温度较低，在混凝土内部就会产生一个非均匀的温度场，并引起混凝土材料相当大的温度应力，太阳辐射强度是混凝土梁日照温度场及温度应力计算的重要边界条件，也是造成混凝土梁非线性温度应力的直接原因。混凝土桥梁由于温度分布不均而产生的热应力也是导致混凝土梁开裂的重要原因之一。

3、可见桥梁的温差效应也是评估桥梁性能的重要指标，甚至温差效应对应变等监测数据的影响远远大于温度本身的影响，但是由于温差效应无法直接监控，目前行业内却缺乏相关的研究。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中桥梁评估往往忽视温差效应的缺陷，本发明提出了一种桥梁的温差效应系数计算方法，可简单快捷的监测桥梁的温差效应，从而为桥梁的性能评估提供更丰富的数据支撑。

2、本发明提出的一种桥梁的温差效应系数计算方法，包括以下步骤：

3、s1、采集目标监控时间内指定竖向截面上的顶板温度、底板温度和桥梁应变，构建指定竖向截面对应的数据序列{(t1i,t2i,εi)}1≤i≤i，i为数据序列中的数据点数量，t1i为数据序列中第i个数据点包含的顶板温度，t2i为数据序列中第i个数据点包含的底板温度，εi为数据序列中第i个数据点包含的桥梁应变；

4、s2、计算温度效应静应变序列εt、温差效应应变序列εd和温差序列d；εt为温度影响下自由膨胀收缩导致的静应变；

5、εt＝{εti}1≤i≤i；εti＝α×t2i；

6、εd＝{εdi}1≤i≤i；εdi＝εi-εti；

7、d＝{di}1≤i≤i；di＝t1i-t2i；

8、εti为第i个数据点对应的温度效应静应变，α为温度热膨胀系数；εdi为第i个数据点对应的温差效应应变；di为第i个数据点对应的温差；

9、s3、计算温差效应系数序列β；

10、β＝{βi}1≤i≤i；βi＝εdi/di；

11、βi为第i个数据点对应的温差效应系数；

12、s4、对温差效应系数序列β中的温差效应系数进行聚类，获取聚类结果中包含最多温差效应系数的簇的中心点作为桥梁指定竖向截面上的温差效应系数β0。

13、优选的，s4中，对温差效应系数序列β中的温差效应系数进行聚类的方法包括以下步骤：

14、s41、将温差效应系数序列β中的温差效应系数随机分为k个簇，k为设定值，各簇的中心点随机设置，1≤k≤k；

15、定义损失函数：

16、其中，zci为βi所在簇的中心点；

17、s42、对于每一个样本βi，将其分配到与中心点差值最小的簇；

18、s43、对各簇的中心点进行优化，第m个簇的中心点的优化目标为最小化目标值∑i∈m||βi-zm||2，zm即为第m个簇的中心点；

19、s44、计算损失函数j(c,z)，判断是否满足收敛条件；否，则返回步骤s42；是，则输出聚类结果，并保存各簇的中心点。

20、优选的，数据序列{(t1i,t2i,εi)}1≤i≤i中，相邻两个数据点之间的采样时间间隔为δt，δt≥10分钟。

21、优选的，根据采样时间间隔在目标监控时间内进行采样，将采样获得的数据直接构建数据序列{(t1i,t2i,εi)}1≤i≤i。

22、优选的，在目标监控时间上进行实时采样，然后通过小波算法剔除根据设定频率剔除数据，将剩余数据作为数据序列{(t1i,t2i,εi)}1≤i≤i。

23、本发明提出的桥梁主梁服役性能评价方法，可实现快速精确的桥梁状态监测

24、本发明提出的一种桥梁主梁服役性能评价方法，包括以下步骤：

25、sa1、获取桥梁实测应变g和残差静应变p的映射函数，结合所述映射函数将实测应变g的设定阈值转换为残差静应变p的安全阈值；

26、sa2、采用如权利要求1-5任一项所述的桥梁的温差效应系数计算方法获取桥梁各指定竖向截面上的温差效应系数β0，并计算桥梁各个指定竖向截面上荷载造成的残差静应变pj，j为指定竖向截面的序号，1≤j≤j，j为桥梁上指定竖向截面的总数量；

27、pj＝εj-α×tj-(β0)j×dj

28、εj表示桥梁的第j个指定竖向截面对应的实测监测应变ε，(β0)j表示桥梁的第j个指定竖向截面对应的温差效应系数β0，dj表示桥梁的第j个指定竖向截面的实测温差；α为温度热膨胀系数，tj为第j个指定竖向截面处的结构温度。

29、sa3、对所有残差静应变pj进行平稳性检测，判断pj是否均小于安全阈值；

30、否，判断桥梁主梁性能有发生退化的风险；

31、是，桥梁主梁性能处于良好状态。

32、优选的，桥梁实测应变g和残差静应变p的映射函数g＝f(p)，通过仿真构建样本，并对样本进行拟合获得。

33、本发明提出的另一种桥梁主梁服役性能评价方法，包括以下步骤：

34、sb1、采用所述的桥梁的温差效应系数计算方法获取桥梁各指定竖向截面上的温差效应系数β0，

35、sb2、判断桥梁各指定竖向截面上的温差效应系数β0是否均小于设定的温差效应阈值；

36、否，判断桥梁主梁性能有发生退化的风险；

37、是，桥梁主梁性能处于良好状态。

38、温差效应阈值为经验值或者仿真获得。

39、本发明还提出了一种桥梁主梁服役性能评价系统和存储介质，为上述的桥梁主梁服役性能评价方法提供载体，便于所述方法的推广应用。

40、本发明提出的一种桥梁主梁服役性能评价系统，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，处理器连接存储器，处理器用于执行所述计算机程序，以实现所述的桥梁主梁服役性能评价方法。

41、本发明提出的一种存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时用于实现所述的桥梁主梁服役性能评价方法。

42、本发明的优点在于：

43、(1)本发明提出的一种桥梁的温差效应系数计算方法，充分考虑到温差效应系数对任意一座桥的任意一个截面都可能是不同的，由于截面的高度、材料、形式等参数的不同，温差效应系数也不同。本发明考虑到桥梁结构截面的高差越大，温差也越大，温差值在竖向减小的也越快，由此导致应变等监测数据的变化也越大，从而设计了一种以竖向截面为单位的温差效应系数的计算方法，通过竖向截面的选择，保证了对桥梁整体评估的可靠性。

44、(2)本发明提供一种简化了的温度场对应变等长期监测数据的影响的分析手段，提出了温差效应系数这一对桥梁应变影响更大的参数，为桥梁评估提供了更充分的数据依据和具象指标。

45、(3)本发明考虑到一天内温度及温差变化缓慢，而车辆荷载出现相对频繁，即由车辆荷载引起的应变的变化的频率远高于由温度场引起的静应变的频率，从而设置采样时间间隔δt，可剔除由车辆荷载引起的高频应变，提取出由温度场引起的静应变数据进行分析，提高温度效应系数的分析精确性。

46、(4)本发明基于温差效应对应变等监测数据的影响远远大于温度本身的影响的发现，构建了表征温差效应和温度效应共同作用于桥梁结构的残差静应变p的计算公式，实现了对桥梁上温度场的耦合分析。