CN109388888A - 一种基于车辆荷载空间分布的桥梁结构使用性能预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于车辆荷载空间分布的桥梁结构使用性能预测方法，利用车辆荷载空间分布情况以及桥梁有限元模型，获得桥梁结构响应的有限元模型计算值Ss，利用桥梁健康监测系统获得车辆荷载作用下的桥梁结构响应实际监测值Sl，并对各时刻的车辆荷载效应进行归一化处理，获得车辆荷载效应归一化系数η，建立当前时刻归一化系数η的回归预测模型，获得η的预测值，再利用概率分布函数获得Ss的预测值，由此得到Sl的预测值即桥梁结构使用性能；更新当前时刻，进行又一轮的预测。本发明所提供的方法，预测的准确性更高，有利于指导桥梁养护、维修和投资决策，从而达到延长桥梁使用寿命、促进桥梁维护和管理水平提高、合理配置资源和资金的目的，同时还保证了桥梁的安全运营。
Description
技术领域
本发明涉及一种方法，尤其涉及一种基于车辆荷载空间分布的桥梁结构使用性能预测方法。
背景技术
现有的桥梁结构性能预测方法主要有基于耐久性的方法和基于可靠度的方法。基于耐久性的桥梁性能预测通过建立数学计算模型定量分析结构的材料性能劣化规律，但其数学计算模型的假定条件与实际情况难以保持一致，使得计算结果与实际情况存在差别，且材料劣化给结构承载能力带来的影响同样缺乏较为准确的定量表达。基于可靠度的桥梁性能预测将结构的作用效应作为随机过程处理，而对于结构抗力，或者将其作为随机变量考虑，然而在役桥梁结构的抗力实际上是随时间而衰减的，是一个随机过程；又或者以结构材料劣化模型建立结构抗力时变模型，此时存在与基于耐久性预测方法类似的问题。此外，以上方法主要针对桥梁结构的承载能力剩余寿命进行预测，针对结构实际响应的使用性能预测尚不深入。
发明内容
为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种基于车辆荷载空间分布的桥梁结构使用性能预测方法。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于车辆荷载空间分布的桥梁结构使用性能预测方法，具体步骤如下：
1)建立桥梁健康监测系统，监测桥梁结构响应，通过健康监测系统中的动态称重子系统和视频监控子系统监测全桥车辆荷载空间分布情况，并将桥梁结构响应监测数据和车辆荷载空间分布监测数据存储于数据库；
2)根据桥梁设计图纸建立桥梁有限元模型，提取监测点k在有限元模型中对应位置的影响线；
3)设置当前时刻标识i＝1；
4)从数据库提取步骤1)中监测得到的截止至当前时刻ti时段yi内各时刻的车辆荷载空间分布监测数据，以影响线加载的方式计算监测点k在时段yi内各时刻的桥梁结构在实际监测的空间分布车辆荷载作用下的有限元模型计算值Ss；
5)从数据库提取步骤1)中监测得到的截止至当前时刻ti时段yi内监测点k的结构响应监测数据，对提取的结构响应监测数据进行线性拟合处理，从中提取监测点k在时段yi内各时刻的桥梁结构在实际监测的空间分布车辆荷载作用下的实际监测值Sl；
6)采用公式Ⅰ计算时段yi内各时刻的车辆荷载效应归一化系数η；
其中，η为车辆荷载效应归一化系数，Ss为桥梁结构在实际监测的空间分布车辆荷载作用下的有限元模型计算值；Sl为桥梁结构在实际监测的空间分布车辆荷载作用下的实际监测值；
7)分析时段yi内各时刻的车辆荷载效应归一化系数η，建立当前时刻ti时η的回归预测模型，对预测期yi+1内的η进行预测，如公式Ⅱ所示：
其中，η预为预测期yi+1内的η的预测值，ηo为车辆荷载效应归一化系数初始值，y为桥龄，α、β为模型参数；
8)对时段yi内的Ss进行概率分布拟合，得到概率分布函数F(x)，采用公式Ⅲ计算在包含预测期yi+1的Ss的概率分布函数Fyi+1(x)，取指定概率p的分位值作为Ss的预测值，公式Ⅲ如下所示：
Fyi+1(x)＝[F(x)]m Ⅲ
其中，Fyi+1(x)为预测期yi+1内的概率分布函数，m为Ss在预测期yi+1内的平均出现次数；
9)根据η的预测值、Ss的预测值并利用公式Ⅰ进行计算，获得在车辆荷载作用下预测期yi+1内的Sl的预测值，Sl的预测值即为预测的桥梁结构使用性能；
10)当前时刻更新为i＝i+1，返回步骤3)，根据更新的实测监测数据进行新的预测，更新预测结果。
进一步地，步骤2)中所述影响线通过有限元分析软件获得。
进一步地，步骤6)中η≤1指示实际桥梁结构性能优于设计状态，η＞1指示实际桥梁结构性能劣于设计状态。
进一步地，步骤8)中所述概率分布函数F(x)为平稳二项随机过程模型。
本发明所提供的方法，消除了车辆荷载大小及作用位置在结构响应预测中的影响，性能预测的准确性更高，有利于指导桥梁养护、维修和投资决策，从而达到延长桥梁使用寿命、促进桥梁维护和管理水平提高、合理配置资源和资金的目的，同时还保证了桥梁的安全运营。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明桥梁的有限元模型影响线。
图3为本发明车辆荷载效应空间分布示意图。
图4为本发明结构响应监测数据的原始监测数据。
图5为本发明车辆荷载效应监测数据。
图6为本发明车辆荷载效应归一化系数η的预测示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
桥梁结构在环境因素及荷载作用下，结构状态逐渐退化，使得各结构响应如挠度、位移等不断发展，桥梁使用性能逐渐衰退。桥梁健康监测系统的实施，能够长期监测桥梁的结构响应，车辆荷载作为桥梁结构的主要可变作用，因此本发明提供了一种基于车辆荷载空间分布的桥梁结构使用性能预测方法。预测车辆荷载作用下的桥梁使用性能有两个问题需要解决，一是从桥梁监测数据中提取车辆荷载效应，二是分析车辆荷载效应的趋势需要排除桥上车辆的车重大小和车辆位置的影响。针对第一个问题，采用线性拟合的方式对车辆荷载效应进行提取；针对第二个问题，本方法在已识别车辆荷载空间分布的前提下，对车辆荷载效应进行归一化处理，如公式Ⅰ所示：
其中，η为车辆荷载效应归一化系数，Ss为桥梁结构在实际监测的空间分布车辆荷载作用下的有限元模型计算值，Sl为桥梁结构在实际监测的空间分布车辆荷载作用下的实际监测值，η≤1指示实际桥梁结构性能优于设计状态，η＞1指示实际桥梁结构性能劣于设计状态。
车辆荷载效应归一化系数η消除了车辆荷载作用下桥梁使用性能预测时的车重大小和车辆位置的影响，通过对一段时间yi内的η进行分析，建立回归预测模型，即可预测η值，如公式Ⅱ所示：
其中，η预为预测期yi+1内的η的预测值，ηo为车辆荷载效应归一化系数初始值，y为桥龄，α、β为模型参数。
对时段yi内的Ss进行概率分布拟合，得到概率分布函数F(x)，常用的概率分布模型有泊松分布、极值Ⅰ型分布、极值Ⅱ型分布、极值Ⅲ型分布、指数分布、正态分布、高斯混合分布等，根据《公路工程结构可靠度设计统一标准》(GB/T 50283-1999)中可变荷载代表值的确定原则，可变作用的概率模型经常简化为平稳二项随机过程的模型。参考此，在预测期yi+1内Ss的概率分布函数可采用公式Ⅲ进行计算。取指定概率p(如95％概率)的分位值作为Ss的预测值，公式Ⅲ如下所示：
Fyi+1(x)＝[F(x)]m Ⅲ
其中，Fyi+1(x)为预测期yi+1内的概率分布函数，m为Ss在预测期yi+1内的平均出现次数。
根据η的预测值、Ss的预测值并利用公式Ⅰ进行计算，获得在车辆荷载作用下预测期yi+1内的Sl的预测值，Sl的预测值即为预测的桥梁结构使用性能。
图1所示为本发明的流程图，具体方法如下：
1)建立桥梁健康监测系统，监测桥梁结构响应，通过健康监测系统中的动态称重子系统和视频监控子系统监测全桥车辆荷载空间分布情况，并将桥梁结构响应监测数据和车辆荷载空间分布监测数据存储于数据库；
2)根据桥梁设计图纸建立桥梁有限元模型，提取监测点k在有限元模型中对应位置的影响线；
3)设置当前时刻标识i＝1；
4)从数据库提取步骤1)中监测得到的截止至当前时刻ti时段yi内各时刻的车辆荷载空间分布监测数据，以影响线加载的方式计算监测点k在时段yi内各时刻的桥梁结构在实际监测的空间分布车辆荷载作用下的有限元模型计算值Ss；
5)从数据库提取步骤1)中监测得到的截止至当前时刻ti时段yi内监测点k的结构响应监测数据，对提取的结构响应监测数据进行线性拟合处理，从中提取监测点k在时段yi内各时刻的桥梁结构在实际监测的空间分布车辆荷载作用下的实际监测值Sl；
6)采用公式Ⅰ计算时段yi内各时刻的车辆荷载效应归一化系数η；
7)分析时段yi内各时刻的车辆荷载效应归一化系数η，建立当前时刻ti时η的回归预测模型，利用公式Ⅱ对预测期yi+1内的η进行预测；
8)对时段yi内的Ss进行概率分布拟合，得到概率分布函数F(x)，采用公式Ⅲ计算在包含预测期yi+1的Ss的概率分布函数Fyi+1(x)，取指定概率p的分位值作为Ss的预测值；
9)根据η的预测值、Ss的预测值并利用公式Ⅰ进行计算，获得在车辆荷载作用下预测期yi+1内的Sl的预测值，Sl的预测值即为预测的桥梁结构使用性能；
10)当前时刻更新为i＝i+1，返回步骤3)，根据更新的实测监测数据进行新的预测，更新预测结果。
下面结合附图2-6对本发明作进一步详细的说明，具体说明基于车辆荷载空间分布对桥梁结构使用性能的预测。
1)建立桥梁健康监测系统，监测桥梁结构响应，通过健康监测系统中的动态称重子系统和视频监控子系统监测全桥车辆荷载空间分布情况，并将桥梁结构响应监测数据和车辆荷载空间分布监测数据存储于数据库；
2)根据桥梁设计图纸建立桥梁有限元模型，提取监测点k在有限元模型中对应位置的影响线，如图2所示，图2中曲线表示影响线，纵直线表示与图3中的车辆荷载对应的影响线数值；
3)设置当前时刻标识i＝1；
4)如图3所示，从数据库提取步骤1)中监测得到的截止至当前时刻ti时段yi即[t0ti]内各时刻的车辆荷载空间分布监测数据，以影响线加载的方式计算监测点k在时段yi即[t0ti]内各时刻的桥梁结构在实际监测的空间分布车辆荷载作用下的有限元模型计算值Ss，图3中弧线表示桥梁，圆形表示车轮，纵向箭头表示车辆荷载；图2与图3的结合表示影响线加载；
5)从数据库提取步骤1)中监测得到的截止至当前时刻ti时段yi即[t0ti]内监测点k的结构响应监测数据，如图4所示；对结构响应监测数据进行线性拟合处理，从中提取监测点k在时段yi即[t0ti]内各时刻的车辆荷载效应监测数据Sl，如图5所示；
6)采用公式Ⅰ计算截止至当前时刻ti时段yi即[t0ti]内各时刻的车辆荷载效应归一化系数，如图6所示；
7)分析时段yi即[t0ti]内各时刻的车辆荷载效应归一化系数η，建立当前时刻ti时的η回归预测模型，对预测期yi+1即[ti ti+1]内的η进行预测，如图6所示；图6表示车辆荷载效应归一化系数η的预测，其中，线1表示t1时刻车辆荷载效应归一化系数η的预测，线2表示t2时刻车辆荷载效应归一化系数η的预测，线3表示t3时刻车辆荷载效应归一化系数η的预测，线4表示车辆荷载效应归一化系数η的发展实测轨迹；
8)对时段yi即[t0ti]内的Ss进行概率分布拟合，得到概率分布函数F(x)，采用公式Ⅲ计算在包含预测期yi+1即[ti ti+1]内Ss的概率分布函数Fyi+1(x)，取95％概率的分位值作为Ss的预测值；
9)根据η的预测值、Ss的预测值并利用公式Ⅰ进行计算，获得在车辆荷载作用下预测期yi+1即[ti ti+1]内的Sl的预测值，Sl的预测值即为预测的桥梁结构使用性能；
10)当前时刻更新为i＝i+1，返回步骤3)，根据更新的实测监测数据进行新的预测，更新预测结果。
本发明提供了一种基于车辆荷载空间分布的桥梁结构使用性能预测方法，是一种桥梁结构使用性能预测方法，具有以下优势：以桥梁成桥状态或设计状态为基准，对监测点实测响应数据进行了归一化处理，消除了车辆荷载大小及作用位置在结构响应预测中的影响，且根据桥梁结构监测点的最新时段的长期监测数据及时更新结构使用性能预测模型，从而保证了性能预测的准确性。本发明从桥梁实测车辆荷载空间分布和结构响应监测数据出发，能够反映桥梁的实际情况，记录桥梁使用性能发展全过程，并进行准确预测，有利于指导桥梁养护、维修和投资决策，从而达到延长桥梁使用寿命、促进桥梁维护和管理水平提高、合理配置资源和资金的目的。此外，本发明提出的归一化系数能够反映桥梁的安全状态，有利于对桥梁的结构安全进行实时监测，保证桥梁的安全运营。
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于车辆荷载空间分布的桥梁结构使用性能预测方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：
1)建立桥梁健康监测系统，监测桥梁结构响应，通过健康监测系统中的动态称重子系统和视频监控子系统监测全桥车辆荷载空间分布情况，并将桥梁结构响应监测数据和车辆荷载空间分布监测数据存储于数据库；
2)根据桥梁设计图纸建立桥梁有限元模型，提取监测点k在有限元模型中对应位置的影响线；
3)设置当前时刻标识i＝1；
4)从数据库提取步骤1)中监测得到的截止至当前时刻ti时段yi内各时刻的车辆荷载空间分布监测数据，以影响线加载的方式计算监测点k在时段yi内各时刻的桥梁结构在实际监测的空间分布车辆荷载作用下的有限元模型计算值Ss；
5)从数据库提取步骤1)中监测得到的截止至当前时刻ti时段yi内监测点k的结构响应监测数据，对提取的结构响应监测数据进行线性拟合处理，从中提取监测点k在时段yi内各时刻的桥梁结构在实际监测的空间分布车辆荷载作用下的实际监测值Sl；
6)采用公式Ⅰ计算时段yi内各时刻的车辆荷载效应归一化系数η；
其中，η为车辆荷载效应归一化系数，Ss为桥梁结构在实际监测的空间分布车辆荷载作用下的有限元模型计算值；Sl为桥梁结构在实际监测的空间分布车辆荷载作用下的实际监测值；
7)分析时段yi内各时刻的车辆荷载效应归一化系数η，建立当前时刻ti时η的回归预测模型，对预测期yi+1内的η进行预测，如公式Ⅱ所示：
其中，η预为预测期yi+1内的η的预测值，ηo为车辆荷载效应归一化系数初始值，y为桥龄，α、β为模型参数；
8)对时段yi内的Ss进行概率分布拟合，得到概率分布函数F(x)，采用公式Ⅲ计算在包含预测期yi+1的Ss的概率分布函数取指定概率p的分位值作为Ss的预测值，公式Ⅲ如下所示：
其中，为预测期yi+1内的概率分布函数，m为Ss在预测期yi+1内的平均出现次数；
9)根据η的预测值、Ss的预测值并利用公式Ⅰ进行计算，获得在车辆荷载作用下预测期yi+1内的Sl的预测值，Sl的预测值即为预测的桥梁结构使用性能；
10)当前时刻更新为i＝i+1，返回步骤3)，根据更新的实测监测数据进行新的预测，更新预测结果。
2.根据权利要求1所述的基于车辆荷载空间分布的桥梁结构使用性能预测方法，其特征在于：步骤2)中所述影响线通过有限元分析软件获得。
3.根据权利要求1所述的基于车辆荷载空间分布的桥梁结构使用性能预测方法，其特征在于：步骤6)中η≤1指示实际桥梁结构性能优于设计状态，η＞1指示实际桥梁结构性能劣于设计状态。
4.根据权利要求1所述的基于车辆荷载空间分布的桥梁结构使用性能预测方法，其特征在于：步骤8)中所述概率分布函数F(x)为平稳二项随机过程模型。
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Application publication date: 20190226 Assignee: CCCC road and bridge inspection and maintenance Co.,Ltd. Assignor: CCCC INFRASTRUCTURE MAINTENANCE GROUP CO.,LTD. Contract record no.: X2023980051369 Denomination of invention: A prediction method for the performance of bridge structures based on the spatial distribution of vehicle loads Granted publication date: 20221206 License type: Common License Record date: 20231211 |