CN113821864A - 一种大跨度斜拉桥复合极限力预警方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大跨度斜拉桥复合极限力预警方法和装置，包括：建立大跨度斜拉桥有限元模型，并根据成桥荷载试验数据对有限元模型进行修正，得到有限元仿真模型；利用有限元仿真模型，采用静力分析法计算位移影响面，得到多个关键荷载响应位置；分别建立每个关键荷载响应位置对于位移影响的关联函数，并将多个关联函数融合得到融合响应模型；采用不同负载组合的方式，基于融合响应模型，计算不同负载对应的复合响应系数；按照检测周期获取所述大跨度斜拉桥的观测数据，并基于复合响应系数计算大跨度斜拉桥对应不同负载组合的复合极限力；根据复合极限力对大跨度斜拉桥的荷载进行预警，以实现对大跨度斜拉桥安全性的有效评估。

Description

一种大跨度斜拉桥复合极限力预警方法及装置

技术领域

本发明涉及斜拉桥安全技术领域，特别涉及一种大跨度斜拉桥复合极限力预警方法及装置。

背景技术

大跨度斜拉桥往往是交通运输系统中的枢纽工程，位于交通中的咽喉部位，在国民经济生活中起着重要作用。斜拉桥具有投资大、运营周期长、易受周围环境影响的特点。

斜拉桥作为交通运输的关键工程设施，在其服役期间内会不可避免的受到各种不利因素的影响，从而使桥梁的承载能力和耐久性降低，影响结构安全。这些因素包括自然老化、超载使用、地震和强风的作用及交通流量增加等各种人为或自然因素，因此，正确评估桥梁结构的安全状态，对桥梁的复合极限力进行预判和预警，对桥梁的维修和运营有重要的意义。

发明内容

本发明提供了一种大跨度斜拉桥复合极限力预警方法，通过建立大跨度斜拉桥的有限元模型，进一步修正得到有限元仿真模型，在此基础上进行位移响应分析，得到多个关键荷载响应位置，以这些关键荷载响应位置的位移作为变量建立融合响应模型，计算复合响应系数，进一步利用斜拉桥的实测数据对复合极限力进行解算，预警斜拉桥的复合极限力，以实现对斜拉桥结构安全性能的监测和预判，并分级预警响应。

本发明的技术方案为：

一种大跨度斜拉桥复合极限力预警方法，包括：

步骤一、建立大跨度斜拉桥有限元模型，并根据成桥荷载试验数据对有限元模型进行修正，得到有限元仿真模型；

步骤二、利用有限元仿真模型，采用静力分析法计算位移影响面，得到多个关键荷载响应位置；

步骤三、分别建立每个关键荷载响应位置对于位移影响的关联函数，并将多个关联函数融合得到融合响应模型；

步骤四、采用不同负载组合的方式，基于融合响应模型，计算负载对应的复合响应系数；

步骤五、按照检测周期获取大跨度斜拉桥的观测数据，并基于复合响应系数计算大跨度斜拉桥对应不同负载组合的复合极限力；

步骤六、根据复合极限力对大跨度斜拉桥的荷载进行预警。

优选的是，对有限元模型进行修正，包括：

获取大跨度斜拉桥的初始应力，并加到有限元模型中；

对有限元模型进行静力分析计算模拟值索力，根据模拟值索力和成桥荷载试验测得的实测索力值调整有限元模型的结构参数；

迭代循环，直到索力模拟值与实测索力值的误差小于误差阈值，得到有限元仿真模型。

优选的是，步骤二包括：

向有限元仿真模型的主梁桥面节点施加竖向恒载，并沿主梁桥面横向移动，得到多个竖向挠曲面，分别计算竖向挠曲面的最大位移响应值；

向有限元仿真模型的桥塔节点施加横向恒载，并沿桥塔竖向移动，得到多个横向挠曲面，分别计算横向挠曲面最大位移响应值；

根据最大位移响应值筛选出多个关键荷载响应位置。

优选的是，步骤三包括：

向关键荷载响应位置施加不同荷载，计算荷载对应的最大位移响应值，建立荷载与位移数据存取表；

根据数据存取表建立荷载与位移的关联函数；

将关联函数的系数作为特征向量，建立融合响应模型。

优选的是，负载组合包括：车桥耦合负载和风桥耦合负载。

优选的是，复合响应系数的计算公式为：

；

；

其中，

表示第

种负载与第

种负载耦合负载的复合响应系数，

表示弹性模量，

表示关键荷载响应位置的个数，

表示挠曲面曲率，

表示极限承载系数，

表示复合力的水平分向量，

表示复合力的竖直分向量，

表示水平位移最大值，

表示竖直水平位移最大值，

表示常数。

优选的是，步骤五包括：

将观测数据进行筛选，滤除无效数据和异常值；

根据观测数据分别计算不同负载组合对应的复合响应系数；

根据复合响应系数计算复合极限力。

优选的是，观测数据包括位移、截面应力和风速。

优选的是，预警包括：

针对不同的负载组合，分别设定依次递减的第一阈值和第二阈值，并根据下列规则依次判断预警级别；

当存在复合极限力小于第二阈值的负载组合时，三级预警响应；

当极限力大于第一阈值且小于第二阈值的组合数量大于一个时，二级预警响应；

当极限力大于第一阈值且小于第二阈值的组合数量为一个时，一级预警响应。

一种大跨度斜拉桥复合极限力预警装置，使用上述的大跨度斜拉桥复合极限力预警方法，包括：

有限元分析软件，其用于建立大跨度斜拉桥有限元模型，并进行模型修正得到有限元仿真模型；

试验模块，其用于进行成桥荷载试验，为所述有限元建模软件提供修正数据；

解算模块，其基于有限元仿真模型解算得到多个关键荷载响应位置；

融合响应模块，其将多个关键荷载响应位置的响应函数进行融合，求解得到复合响应系数；

监测模块，其获取观测数据；

预警模块，根据观测数据计算复合极限力，并进行分级预警。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过建立大跨度斜拉桥的有限元模型，进一步修正得到有限元仿真模型，在此基础上进行位移响应分析，得到多个关键荷载响应位置，以这些关键荷载响应位置的位移作为变量建立融合响应模型，计算复合响应系数，进一步利用斜拉桥的实测数据对复合极限力进行解算，预警斜拉桥的复合极限力，以实现对斜拉桥结构安全性能的监测和预判，并分级预警响应，以利于正确评估斜拉桥的结构安全状况和极限负载能力，对斜拉桥的安全运行和及时高效维修具有重要的现实意义。

2、本发明提出了一种大跨度斜拉桥复合极限力预警装置，为大跨度斜拉桥复合极限力的正确评估和预计提供了软件和硬件支持。

附图说明

图1为本发明提供的实施例中一种大跨度斜拉桥复合极限力预警方法流程图。

图2为本发明提供的实施例中一种大跨度斜拉桥复合极限力预警装置示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中”、“上”、“下”、“横”、“内”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，一种大跨度斜拉桥复合极限力预警方法，包括：

S110、建立大跨度斜拉桥有限元模型，并根据成桥荷载试验数据对有限元模型进行修正，得到有限元仿真模型。

应用 ANSYS有限元软件，采用梁单元、壳单元、桁架单元、质量块单元及连接单元等多种单元类型建立大跨度斜拉桥的有限元模型。

对于一座大跨度斜拉桥，由于施工的不确定性，建成后成桥的受力情况会与设计图纸有一些误差。在有限元模型中输入的是设计索力值，与成桥的索力值有一定差距，这就需要通过荷载试验得出的成桥试验来进行修正，仿真所述大跨度斜拉桥的实际工作工况，具体的，有限元模型修正过程包括：

获取大跨度斜拉桥的初始应力，并加到有限元模型中；

对有限元模型进行静力分析计算模拟值索力，根据模拟值索力和成桥荷载试验测得的实测索力值调整有限元模型的结构参数；

迭代循环，直到索力模拟值与实测索力值的误差小于误差阈值，得到有限元仿真模型。

S120、利用有限元仿真模型，采用静力分析法计算位移影响面，得到多个关键荷载响应位置。

斜拉桥服役期间受力情况复杂，且多为荷载位置变化的移动荷载，由于荷载的位置是经常变化的，使得结构的支座反力、截面内力、应力、变形等也是变化的。因此，我们要了解结构不同部位处量值的变化规律，筛选出可能发生较大内力或位移的关键荷载响应位置。

首先，向有限元仿真模型的主梁桥面节点施加竖向恒载，并沿主梁桥面横向移动，得到多个竖向挠曲面，分别计算竖向挠曲面的最大位移响应值；

然后，向有限元仿真模型的桥塔节点施加横向恒载，并沿桥塔竖向移动，得到多个横向挠曲面，分别计算横向挠曲面最大位移响应值；

最后，根据最大位移响应值筛选出多个关键荷载响应位置。

S130、分别建立每个关键荷载响应位置对于位移影响的关联函数，并将多个关联函数融合得到融合响应模型。

向关键荷载响应位置施加不同荷载，计算荷载对应的最大位移响应值，建立荷载与位移数据存取表；

根据数据存取表建立荷载与位移的关联函数；

将关联函数的系数作为特征向量，建立融合响应模型。

S140、采用不同负载组合的方式，基于融合响应模型，计算负载对应的复合响应系数。

具体的，负载组合包括：车桥耦合负载和风桥耦合负载。

复合响应系数的计算公式为：

；

；

其中，

表示第

种负载与第

种负载耦合负载的复合响应系数，

表示弹性模量，

表示关键荷载响应位置的个数，

表示挠曲面曲率，

表示极限承载系数，

表示复合力的水平分向量，

表示复合力的竖直分向量，

表示水平位移最大值，

表示竖直水平位移最大值，

表示常数。

S150、按照检测周期获取大跨度斜拉桥的观测数据，并基于复合响应系数计算大跨度斜拉桥对应不同负载组合的复合极限力。

具体的，观测数据包括位移、截面应力和风速。

复合极限力的计算过程为：

首先，将观测数据进行筛选，滤除无效数据和异常值；

然后，根据观测数据分别计算不同负载组合对应的复合响应系数；

最后，根据复合响应系数计算复合极限力。

S160、根据复合极限力对大跨度斜拉桥的荷载进行预警。

针对不同的负载组合，分别设定依次递减的第一阈值和第二阈值，并根据下列规则依次判断预警级别；

当存在复合极限力小于第二阈值的负载组合时，三级预警响应；

当极限力大于第一阈值且小于第二阈值的组合数量大于一个时，二级预警响应；

当极限力大于第一阈值且小于第二阈值的组合数量为一个时，一级预警响应。

基于与方法相同的发明构思，本发明还提出了一种大跨度斜拉桥复合极限力预警装置，包括有限元分析软件110、试验模块120、解算模块130、融合响应模块140、监测模块150和预警模块160。

有限元分析软件110用于建立大跨度斜拉桥有限元模型，并进行模型修正得到有限元仿真模型，试验模块120用于进行成桥荷载试验，为有限元建模软件100提供修正数据；解算模块130基于有限元仿真模型解算得到多个关键荷载响应位置；融合响应模块140将多个关键荷载响应位置的响应函数进行融合，求解得到复合响应系数；监测模块150获取观测数据；预警模块160根据观测数据计算复合极限力，并进行分级预警。

本发明实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明通过建立大跨度斜拉桥的有限元模型，进一步修正得到有限元仿真模型，在此基础上进行位移响应分析，得到多个关键荷载响应位置，以这些关键荷载响应位置的位移作为变量建立融合响应模型，计算复合响应系数，进一步利用斜拉桥的实测数据对复合极限力进行解算，预警斜拉桥的复合极限力，以实现对斜拉桥结构安全性能的监测和预判，并分级预警响应，以利于正确评估斜拉桥的结构安全状况和极限负载能力，对斜拉桥的安全运行和及时高效维修具有重要的现实意义。本发明还提出了一种大跨度斜拉桥复合极限力预警装置，为大跨度斜拉桥复合极限力的正确评估和预计提供了软件和硬件支持。

以上内容仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不脱离本发明的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (10)

1.一种大跨度斜拉桥复合极限力预警方法，其特征在于，包括：

步骤一、建立大跨度斜拉桥有限元模型，并根据成桥荷载试验数据对所述有限元模型进行修正，得到有限元仿真模型；

步骤二、利用所述有限元仿真模型，采用静力分析法计算位移影响面，得到多个关键荷载响应位置；

步骤三、分别建立每个所述关键荷载响应位置对于所述位移影响的关联函数，并将多个所述关联函数融合得到融合响应模型；

步骤四、采用不同负载组合的方式，基于所述融合响应模型，计算负载对应的复合响应系数；

步骤五、按照检测周期获取所述大跨度斜拉桥的观测数据，并基于所述复合响应系数计算所述大跨度斜拉桥对应不同负载组合的复合极限力；

步骤六、根据所述复合极限力对所述大跨度斜拉桥的荷载进行预警。

2.如权利要求1所述的大跨度斜拉桥复合极限力预警方法，其特征在于，所述对所述有限元模型进行修正，包括：

获取所述大跨度斜拉桥的初始应力，并加到所述有限元模型中；

对所述有限元模型进行静力分析计算模拟值索力，根据模拟值索力和成桥荷载试验测得的实测索力值调整所述有限元模型的结构参数；

迭代循环，直到所述索力模拟值与所述实测索力值的误差小于误差阈值，得到有限元仿真模型。

3.如权利要求2所述的大跨度斜拉桥复合极限力预警方法，其特征在于，所述步骤二包括：

向所述有限元仿真模型的主梁桥面节点施加竖向恒载，并沿所述主梁桥面横向移动，得到多个竖向挠曲面，分别计算所述竖向挠曲面的最大位移响应值；

向所述有限元仿真模型的桥塔节点施加横向恒载，并沿所述桥塔竖向移动，得到多个横向挠曲面，分别计算所述横向挠曲面最大位移响应值；

根据所述最大位移响应值筛选出多个关键荷载响应位置。

4.如权利要求3所述的大跨度斜拉桥复合极限力预警方法，其特征在于，所述步骤三包括：

向所述关键荷载响应位置施加不同荷载，计算所述荷载对应的最大位移响应值，建立荷载与位移数据存取表；

根据所述数据存取表建立荷载与位移的关联函数；

将所述关联函数的系数作为特征向量，建立融合响应模型。

5.如权利要求4所述的大跨度斜拉桥复合极限力预警方法，其特征在于，所述负载组合包括：车桥耦合负载和风桥耦合负载。

6.如权利要求5所述的大跨度斜拉桥复合极限力预警方法，其特征在于，所述复合响应系数的计算公式为：

；

；

其中，

表示第

种负载与第

种负载耦合负载的复合响应系数，

表示弹性模量，

表示关键荷载响应位置的个数，

表示挠曲面曲率，

表示极限承载系数，

表示复合力的水平分向量，

表示复合力的竖直分向量，

表示水平位移最大值，

表示竖直水平位移最大值，

表示常数。

7.如权利要求6所述的大跨度斜拉桥复合极限力预警方法，其特征在于，所述步骤五包括：

将所述观测数据进行筛选，滤除无效数据和异常值；

根据所述观测数据分别计算不同负载组合对应的复合响应系数；

根据所述复合响应系数计算复合极限力。

8.如权利要求7所述的大跨度斜拉桥复合极限力预警方法，其特征在于，所述观测数据包括位移、截面应力和风速。

9.如权利要求8所述的大跨度斜拉桥复合极限力预警方法，其特征在于，所述预警包括：

针对不同的负载组合，分别设定依次递减的第一阈值和第二阈值，并根据下列规则依次判断预警级别；

当存在复合极限力小于所述第二阈值的负载组合时，三级预警响应；

当极限力大于所述第一阈值且小于所述第二阈值的组合数量大于一个时，二级预警响应；

当极限力大于所述第一阈值且小于所述第二阈值的组合数量为一个时，一级预警响应。

10.一种大跨度斜拉桥复合极限力预警装置，使用如权利要求1-8中任一项所述的大跨度斜拉桥复合极限力预警方法，其特征在于，包括：

有限元分析软件，其用于建立大跨度斜拉桥有限元模型，并进行模型修正得到有限元仿真模型；

试验模块，其用于进行成桥荷载试验，为所述有限元建模软件提供修正数据；

解算模块，其基于所述有限元仿真模型解算得到多个关键荷载响应位置；

融合响应模块，其将所述多个关键荷载响应位置的响应函数进行融合，求解得到复合响应系数；

监测模块，其获取观测数据；

预警模块，根据所述观测数据计算复合极限力，并进行分级预警。

Images