CN116127583B - 一种用于桥梁结构抗弯刚度重构的逆单位荷载法 - Google Patents

一种用于桥梁结构抗弯刚度重构的逆单位荷载法 Download PDF

Info

Publication number
CN116127583B
CN116127583B CN202310199925.2A CN202310199925A CN116127583B CN 116127583 B CN116127583 B CN 116127583B CN 202310199925 A CN202310199925 A CN 202310199925A CN 116127583 B CN116127583 B CN 116127583B
Authority
CN
China
Prior art keywords
bridge
bending stiffness
deflection
actual measurement
influence
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202310199925.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN116127583A (zh
Inventor
尤润州
伊廷华
任亮
李宏男
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian University of Technology
Original Assignee
Dalian University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian University of Technology filed Critical Dalian University of Technology
Priority to CN202310199925.2A priority Critical patent/CN116127583B/zh
Publication of CN116127583A publication Critical patent/CN116127583A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN116127583B publication Critical patent/CN116127583B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/13—Architectural design, e.g. computer-aided architectural design [CAAD] related to design of buildings, bridges, landscapes, production plants or roads
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/11—Complex mathematical operations for solving equations, e.g. nonlinear equations, general mathematical optimization problems
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/16—Matrix or vector computation, e.g. matrix-matrix or matrix-vector multiplication, matrix factorization
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Operations Research (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

本发明属于桥梁结构安全性检测技术领域，公开了一种用于桥梁结构抗弯刚度重构的逆单位荷载法，包括如下步骤：步骤1：设于桥梁不同位置的位移传感器记录桥梁挠度响应信息，根据桥梁挠度响应信息识别桥梁实测挠度影响线；步骤2：基于桥梁实测挠度影响线建立桥梁抗弯刚度重构数学模型；步骤3：采用L曲线法优化桥梁抗弯刚度重构数学模型参数并求解桥梁抗弯刚度分布。本发明基于多点实测挠度数据实现桥梁抗弯刚度的分布式求解，适用于不同跨径、不同边界条件、不同健康状态的桥梁结构，通用性好、实用性强、计算效率高、重构精度高。

Description

一种用于桥梁结构抗弯刚度重构的逆单位荷载法
技术领域
本发明涉及桥梁结构安全性检测技术领域，尤其涉及一种用于桥梁结构抗弯刚度重构的逆单位荷载法。
背景技术
我国桥梁建设规模和数量位居世界第一，桥梁总数已突破100万座。桥梁结构在长期服役过程中由于腐蚀、冲击、疲劳等不利因素影响通常存在各种病害，造成结构整体或局部抗弯刚度退化，直接影响桥梁结构运营安全。如何及时有效地探测桥梁整体或局部抗弯刚度退化已经成为桥梁结构健康监测和快速检测领域的热门研究方向。
目前，桥梁结构的抗弯刚度重构方法可以分为两大类：基于动力特性的抗弯刚度重构方法和基于静力响应的抗弯刚度重构方法。“F.Zastavnik,R.Pintelon,M.Kersemans,W.Van Paepegem,and L.Pyl.2019.“Local bending stiffness identification ofbeams using simultaneous Fourier-series fitting and shearography.”J.SoundVibr.443:764-787.”中，基于动力特性的抗弯刚度重构方法通过动力测试识别结构模态参数，进而实现桥梁抗弯刚度的定量评估。然而，该类方法存在受环境因素影响大、对局部刚度退化不敏感、测试过程复杂等问题。
“X.Zheng,T.H.Yi,D.H.Yang,and H.N.Li.2021.“Stiffness estimation ofgirder bridges using influence lines identified from vehicle-inducedstructural responses.”J.Eng.Mech.147(8):04021042.”中，基于静力响应的抗弯刚度重构方法通过建立实测静力响应参数与结构抗弯刚度的关系实现抗弯刚度的显示求解。其中，静挠度作为桥梁的基本力学参数，对结构抗弯刚度的变化十分敏感。因此，基于静挠度的抗弯刚度重构方法得到广泛研究。然而，已有方法如“Y.Zeinali,and B.A.Story.2017.“Framework for flexural rigidity estimation in Euler-Bernoulli beams usingdeformation influence lines.”Infrastructures.2(4):23.”，需要计算在边界条件和外界荷载作用下结构内部的弯矩分布，使得该类方法对不同桥梁的通用性差。而且，已有方法往往只适用于简单静定结构，难以实现超静定结构(如三跨连续梁)的抗弯刚度求解。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种用于桥梁结构抗弯刚度重构的逆单位荷载法，基于多点实测挠度数据实现桥梁抗弯刚度的分布式求解，适用于不同跨径、不同边界条件、不同健康状态的桥梁结构，通用性好、实用性强、计算效率高、重构精度高。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种用于桥梁结构抗弯刚度重构的逆单位荷载法，包括如下步骤：
步骤1：布设于桥梁不同位置的位移传感器记录桥梁挠度响应信息，根据桥梁挠度响应信息识别桥梁实测挠度影响线；
步骤2：基于桥梁实测挠度影响线建立桥梁抗弯刚度重构数学模型；
步骤3：采用L曲线法优化桥梁抗弯刚度重构数学模型参数并求解桥梁抗弯刚度分布。
所述步骤1具体为：
已知轴距和轴重的加载车沿着加载路径匀速从桥梁一侧行驶至桥梁另一侧，布置在桥梁上的多个位移传感器采集桥梁挠度响应信息，采用准静态影响线识别模型求解得到位移传感器布设位置sk处的桥梁实测挠度影响线DILk。
所述步骤2具体为：
步骤2.a.采用均匀离散方式将桥梁沿长度划分为N个逆单元，每个逆单元内部具有均匀的抗弯刚度分布EIi，其中i为逆单元的编号，1≤i≤N；
根据单位荷载法和位移互等定理，当位移传感器sk+j处施加单位竖向荷载时，位移传感器sk处的影响系数方程表示为：
式中：δk(k+j)为实测影响系数；DILk和DILk+j为位移传感器sk和sk+j处桥梁实测挠度影响线；(·)″代表二阶导数运算；j表示两个位移传感器之间的间距，L表示桥梁全长；向量k和刚度矩阵I表示如下：
I＝[EI1...EIN]T
步骤2.b.集成不同位置位移传感器的影响系数方程，并引入吉洪诺夫正则化项构建桥梁抗弯刚度重构数学模型，该模型目标函数表示为：：
式中：矩阵K由向量k组成，维度为num×N；H由实测影响系数δk(k+j)组成，维度为num×1；λ为正则化参数；num为nel个位移传感器可以提供的影响系数方程数量，表示为：
所述步骤3具体为：
绘制以为横坐标，/>为纵坐标的曲线，曲线平台段和垂直下降段的交点为最优正则化参数λ；
确定正则化参数λ后，桥梁抗弯刚度分布求解为：
I＝(KTK+Γ)-1KTH。
式中，Γ为正则化参数λ组成的对角矩阵，维度为N×N。
本发明的有益效果：1、能够实现不同跨径、不同边界条件、不同健康状态桥梁结构抗弯刚度的准确求解，具有较强的实用性和通用性；2、通过简单矩阵-向量乘积运算实现了抗弯刚度的显示求解，具有高运算效率；3、在目标函数中引入吉洪诺夫正则化项，大幅减弱了测量噪声等外部因素对抗弯刚度重构结果的影响。
附图说明
图1为本发明一种用于桥梁结构抗弯刚度重构的逆单位荷载法整体流程图；
图2为本发明实施例1采用的位移传感器布设方案；
图3为本发明实施例1桥梁抗弯刚度的识别结果。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明提出了一种用于桥梁结构抗弯刚度重构的逆单位荷载法。首先，加载车沿着选定加载路径匀速通过桥梁，布设于桥梁不同位置的位移传感器记录桥梁挠度响应信息，结合准静态影响线识别模型提取相应位置挠度影响线；然后，利用单位荷载法和位移互等定理建立影响系数方程，集成不同位移传感器间的影响系数方程并将其表示为矩阵-向量乘积形式，引入吉洪诺夫正则化项构建抗弯刚度重构数学模型；最后，采用L曲线法确定最优正则化参数，并对抗弯刚度重构数学模型进行求解获得桥梁抗弯刚度分布曲线。
实施例1
本发明的桥梁结构抗弯刚度重构方法分为“利用位移传感器记录的桥梁挠度响应信息识别桥梁实测挠度影响线”、“基于实测挠度影响线建立桥梁抗弯刚度重构数学模型”和“采用L曲线法优化模型参数并求解桥梁抗弯刚度分布”三步，以下结合一个三跨连续梁的抗弯刚度识别试验来说明本发明的使用方法和特点。
在刚度识别试验中，三跨连续梁的两个边跨长度为0.5m，中跨长度为1m，总长度为2m。桥梁沿全长具有均匀的抗弯刚度分布，其值为4.61×107N·mm2，在中跨0.65-0.85m范围内发生20％的均匀刚度折减。一辆两轴加载车从桥梁左侧缓慢移动至右侧，小车轴重分别为P1＝P2＝30N，轴距为0.05m。
桥梁沿长度共布设有5个位移传感器，其中每个边跨布设有1个位移传感器，中跨布设有3个位移传感器，跨内位移传感器间距为0.25m。位移传感器的详细布设位置如图2所示。
利用位移传感器记录小车过桥时的桥梁响应，利用实测挠度数据和准静态影响线识别模型求解得到各个位移传感器布设位置的桥梁影响线分布。采用均匀离散网格将连续桥梁离散化为10个单元，逆单元的长度为0.2m。结合识别的桥梁影响线分布，建立抗弯刚度重构模型。采用L曲线法绘制曲线，并选取L曲线平台段和垂直下降段的交点作为最优正则化参数。在正则化参数确定后，对抗弯刚度重构模型进行求解，获得桥梁全域抗弯刚度分布，如图3所示。
可以看出，本发明提出的用于桥梁结构抗弯刚度重构的逆单位荷载法可以实现桥梁结构抗弯刚度的准确求解，其求解结果与实际结构抗弯刚度分布吻合很好。所识别的抗弯刚度分布为桥梁结构的损伤识别、模型修正和承载力评估提供了重要基础。
本发明仅需实测挠度影响线即可实现桥梁抗弯刚度的分布式求解，适用于不同跨径、不同边界条件、不同健康状态的桥梁结构，具有通用性好、实用性强、计算效率高、重构精度高等优点。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种用于桥梁结构抗弯刚度重构的逆单位荷载法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：布设于桥梁不同位置的位移传感器记录桥梁挠度响应信息，根据桥梁挠度响应信息识别桥梁实测挠度影响线；
已知轴距和轴重的加载车沿着加载路径匀速从桥梁一侧行驶至桥梁另一侧，布置在桥梁上的多个位移传感器采集桥梁挠度响应信息，采用准静态影响线识别模型求解得到位移传感器布设位置sk处的桥梁实测挠度影响线DILk；
步骤2：基于桥梁实测挠度影响线建立桥梁抗弯刚度重构数学模型；
步骤2.a.采用均匀离散方式将桥梁沿长度划分为N个逆单元，每个逆单元内部具有均匀的抗弯刚度分布EIi，其中i为逆单元的编号，1≤i≤N；
当位移传感器sk+j处施加单位竖向荷载时，位移传感器sk处的影响系数方程表示为：
式中：δk(k+j)为实测影响系数；DILk和DILk+j为位移传感器sk和sk+j处桥梁实测挠度影响线；(·)″代表二阶导数运算；j表示两个位移传感器之间的间距，L表示桥梁全长；向量k和刚度矩阵I表示如下：
I＝[EI1…EIN]T
步骤2.b.集成不同位置位移传感器的影响系数方程，并引入吉洪诺夫正则化项构建桥梁抗弯刚度重构数学模型，该模型目标函数表示为：
式中：矩阵K由向量k组成，维度为num×N；H由实测影响系数δk(k+j)组成，维度为num×1；λ为正则化参数；num为nel个位移传感器可以提供的影响系数方程数量，表示为：
步骤3：采用L曲线法优化桥梁抗弯刚度重构数学模型参数并求解桥梁抗弯刚度分布；
绘制以为横坐标、/>为纵坐标的曲线，曲线平台段和垂直下降段的交点为最优正则化参数λ；
确定最优正则化参数λ后，桥梁抗弯刚度分布求解为：
I＝(KTK+Γ)-1KTH；
式中，Γ为正则化参数λ组成的对角矩阵，维度为N×N。
CN202310199925.2A 2023-03-03 2023-03-03 一种用于桥梁结构抗弯刚度重构的逆单位荷载法 Active CN116127583B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310199925.2A CN116127583B (zh) 2023-03-03 2023-03-03 一种用于桥梁结构抗弯刚度重构的逆单位荷载法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310199925.2A CN116127583B (zh) 2023-03-03 2023-03-03 一种用于桥梁结构抗弯刚度重构的逆单位荷载法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN116127583A CN116127583A (zh) 2023-05-16
CN116127583B true CN116127583B (zh) 2023-08-29

Family

ID=86308319

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310199925.2A Active CN116127583B (zh) 2023-03-03 2023-03-03 一种用于桥梁结构抗弯刚度重构的逆单位荷载法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116127583B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117589398B (zh) * 2023-10-26 2024-05-07 桐乡市苏台高速公路投资开发有限公司 载重车作用下π型钢-混连续刚构桥承载力智能检测方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018031676A (ja) * 2016-08-24 2018-03-01 公益財団法人鉄道総合技術研究所 鉄道橋の構造性能調査方法
CN108775993A (zh) * 2018-06-12 2018-11-09 中南大学 一种桥梁损伤检测方法
CN109829252A (zh) * 2019-03-15 2019-05-31 福州市公路局 一种基于影响线识别的桥梁状况快速评级方法
CN111912589A (zh) * 2020-06-16 2020-11-10 厦门大学 一种基于挠度影响线改变量识别梁结构损伤程度的方法
CN113627060A (zh) * 2021-08-09 2021-11-09 苏交科集团股份有限公司 一种基于实测挠度影响线的公路梁式桥承载能力评定方法
CN114021405A (zh) * 2021-11-04 2022-02-08 大连理工大学 一种基于横向挠度影响线的装配式板梁桥铰缝损伤检测方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220383478A1 (en) * 2021-06-01 2022-12-01 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. Computer vision-based system and method for assessment of load distribution, load rating, and vibration serviceability of structures

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018031676A (ja) * 2016-08-24 2018-03-01 公益財団法人鉄道総合技術研究所 鉄道橋の構造性能調査方法
CN108775993A (zh) * 2018-06-12 2018-11-09 中南大学 一种桥梁损伤检测方法
CN109829252A (zh) * 2019-03-15 2019-05-31 福州市公路局 一种基于影响线识别的桥梁状况快速评级方法
CN111912589A (zh) * 2020-06-16 2020-11-10 厦门大学 一种基于挠度影响线改变量识别梁结构损伤程度的方法
CN113627060A (zh) * 2021-08-09 2021-11-09 苏交科集团股份有限公司 一种基于实测挠度影响线的公路梁式桥承载能力评定方法
CN114021405A (zh) * 2021-11-04 2022-02-08 大连理工大学 一种基于横向挠度影响线的装配式板梁桥铰缝损伤检测方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Run-Zhou You 等.Inverse Unit Load Method for Full-Field Reconstruction of Bending Stiffness in Girder Bridges.ASCE-ASME Journal of Risk and Uncertainty in Engineering Systems, Part A: Civil Engineering.2023,第9卷(第2期),全文. *

Also Published As

Publication number Publication date
CN116127583A (zh) 2023-05-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zheng et al. Development of bridge influence line identification methods based on direct measurement data: A comprehensive review and comparison
CN108775993B (zh) 一种桥梁损伤检测方法
CN107588915B (zh) 一种桥梁影响线识别方法
US10753827B2 (en) Method and system for measuring vertical wheel impact force in real-time based on tire pressure monitoring
Karoumi et al. Monitoring traffic loads and dynamic effects using an instrumented railway bridge
CN111024421B (zh) 基于弹性约束支承梁转角影响线的梁桥损伤检测方法
CN114021405B (zh) 一种基于横向挠度影响线的装配式板梁桥铰缝损伤检测方法
CN116127583B (zh) 一种用于桥梁结构抗弯刚度重构的逆单位荷载法
CN112857718B (zh) 一种基于移动车辆测试的桥梁承载能力快速评估方法
CN113627060A (zh) 一种基于实测挠度影响线的公路梁式桥承载能力评定方法
CN108920766B (zh) 一种基于基函数表示和稀疏正则化的桥梁影响线识别方法
CN111912589A (zh) 一种基于挠度影响线改变量识别梁结构损伤程度的方法
CN116958933A (zh) 一种多车道荷载识别方法、系统、电子设备及存储介质
CN111707543A (zh) 基于转角影响线曲率差分的等截面梁结构损伤识别方法
CN112326787B (zh) 一种基于专属测试车多点快速静态采集的梁式桥识别方法
CN117077272A (zh) 一种车桥耦合数值解预测方法
KR101366103B1 (ko) 지점부의 반력응답을 이용한 ｂｗｉｍ 시스템 및 그의 제어 방법
CN110807285A (zh) 一种工程运输车车架疲劳分析方法、系统及装置
CN113408030A (zh) 一种利用有限振动响应快速反演桥梁荷载的方法
CN116067592A (zh) 预制拼装梁桥纵桥向损伤快速诊断方法
CN114486302B (zh) 考虑纵向加载附加弯矩的车钩力测量方法及系统
Zhu et al. Dynamic axle and wheel loads identification: laboratory studies
CN115563446A (zh) 一种利用时空自适应形函数响应矩阵识别移动荷载的方法
Cao et al. Damage localization for prefabricated bridges group using the area-ratio of the strain time-history curve
Gangone et al. Field deployment of a dense wireless sensor network for condition assessment of a bridge superstructure

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant