基于非均勻溫度響應(yīng)監(jiān)測(cè)值的鋼橋有限元模型修正方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于非均勻溫度響應(yīng)監(jiān)測(cè)值的鋼橋有限元模型修正方法，包括以下主要步驟：1)對(duì)鋼橋全年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出非均勻溫度場(chǎng)作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律2)根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)建立初始有限元模型3)采用迭代法初步確定鋼橋支座水平剛度4)基于鋼橋溫度響應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)鋼橋進(jìn)行靈敏度分析，確定與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)較高的設(shè)計(jì)變量5)通過(guò)縮小有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的差值對(duì)鋼橋有限元模型進(jìn)行優(yōu)化分析。該方法與普遍采用的基于試驗(yàn)?zāi)B(tài)數(shù)據(jù)等動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果的有限元模型修正方法相比，具有簡(jiǎn)單準(zhǔn)確，費(fèi)用較低，安全性好的優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
基于非均勻溫度響應(yīng)監(jiān)測(cè)值的鋼橋有限元模型修正方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于±木工程數(shù)值模擬分析領(lǐng)域，設(shè)及一種基于非均勻溫度響應(yīng)監(jiān)測(cè)值的 鋼橋有限元模型修正方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)的大型橋梁建設(shè)速度迅猛。鋼橋因跨越能力強(qiáng)、施 工速度快等被廣泛應(yīng)用于度橋梁，在當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活中扮演著關(guān)鍵的角色。鋼 橋跨度較大，構(gòu)件種類(lèi)繁多，結(jié)構(gòu)布局復(fù)雜。因環(huán)境載荷作用、疲勞效應(yīng)和材料老化等不利 因素的影響，橋梁在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中將不可避免地出現(xiàn)各種缺陷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部關(guān)鍵構(gòu) 件損傷累積。如果結(jié)構(gòu)的剛度和承載力下降等現(xiàn)象不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，并得到及時(shí)的維修，不 僅會(huì)影響結(jié)構(gòu)的正常使用，甚至有可能會(huì)發(fā)生突然破壞或倒塌等災(zāi)難性事故。
[0003] 通過(guò)有限元數(shù)值模擬技術(shù)建立度橋梁有限元模型是合理預(yù)測(cè)橋梁安全性、耐久性 和抗震性能等較為普遍的方法。但由于橋梁在長(zhǎng)期使用中出現(xiàn)的各種缺陷，使得根據(jù)設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)建立的有限元模型與結(jié)構(gòu)存在著邊界條件、材料和截面參數(shù)、質(zhì)量和荷載分布等誤差， 因此有限元模型難W準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)在服役載荷作用下的行為與工作狀態(tài)，有必要基于健 康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)監(jiān)測(cè)值對(duì)有限元模型進(jìn)行修正，W便于通過(guò)修正后的有限元模型對(duì)橋梁 進(jìn)行進(jìn)一步的安全評(píng)估。
[0004] 目前普遍采用試驗(yàn)?zāi)B(tài)數(shù)據(jù)等動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果對(duì)鋼橋進(jìn)行有限元模型的修正，近年 來(lái)廣泛采用的基于環(huán)境激勵(lì)的模態(tài)測(cè)試雖然安全性好，并且不影響橋梁的正常使用，但也 存在很多不足:1)環(huán)境激勵(lì)存在未知輸入，例如包含各種噪聲干擾;2)模態(tài)參數(shù)識(shí)別基于模 態(tài)理論假設(shè);3)無(wú)法確定結(jié)構(gòu)的局部響應(yīng);4)精確的模態(tài)參數(shù)識(shí)別要求較高，數(shù)據(jù)處理量較 大，不利于工程人員掌握;5)傳感器數(shù)量要求較多。
[0005] 鋼橋溫度場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響主要通過(guò)W下=種形式:熱福射、熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流。由于 太陽(yáng)福射角度的變化和構(gòu)件間的相互遮擋，鋼橋全年大部分時(shí)刻主要受到復(fù)雜溫度場(chǎng)的影 響，由于溫度作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)變和位移響應(yīng)會(huì)比較明顯，因此本發(fā)明提出基于非均勻溫度 響應(yīng)監(jiān)測(cè)值的鋼橋有限元模型修正方法，該方法簡(jiǎn)單準(zhǔn)確，費(fèi)用較低，安全性好。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 技術(shù)問(wèn)題:本發(fā)明提供一種簡(jiǎn)單準(zhǔn)確、成本較低、安全性好的基于非均勻溫度響應(yīng) 監(jiān)測(cè)值的鋼橋有限元模型修正方法。
[0007] 技術(shù)方案:本發(fā)明的基于非均勻溫度響應(yīng)監(jiān)測(cè)值的鋼橋有限元模型修正方法，包 括W下步驟：
[000引1)根據(jù)建立鋼橋初始有限元模型時(shí)存在的邊界條件誤差、構(gòu)件截面性質(zhì)誤差、材 料性質(zhì)的誤差和結(jié)構(gòu)連接條件失真確定鋼橋溫度傳感器和應(yīng)變、位移傳感器的布測(cè)位置；
[0009] 2)收集并處理鋼橋的溫度傳感器數(shù)據(jù)、應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)和位移傳感器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù) 處理的具體方法為:利用小波包分解技術(shù)剔除應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的動(dòng)應(yīng)變成分，再對(duì)同一截 面上的兩個(gè)應(yīng)變傳感器測(cè)得的靜應(yīng)變?nèi)∑骄?，作為該?gòu)件的軸向應(yīng)變;對(duì)同一橋墳上多 個(gè)位移傳感器的位移數(shù)據(jù)取平均值作為該橋墳的位移；
[0010] 3)基于ANSre大型有限元軟件，按照設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中的結(jié)構(gòu)幾何尺寸、構(gòu)件截面與位 置、材料性質(zhì)建立鋼橋初始有限元模型，具體流程為:首先，W鋼橋結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)建立有限 元模型的所有節(jié)點(diǎn);然后，按照設(shè)計(jì)截面、材料參數(shù)W及所在位置建立有限元模型的所有單 元;最后，依據(jù)約束條件對(duì)節(jié)點(diǎn)施加禪合和約束，得到鋼橋初始有限元模型；
[0011] 4)首先篩選出風(fēng)速w《[w]級(jí)的日子的傳感器監(jiān)測(cè)值，即鋼橋平均溫度數(shù)據(jù){T}T， 及對(duì)應(yīng)時(shí)刻的結(jié)構(gòu)位移數(shù)據(jù){S}T和應(yīng)變響應(yīng)數(shù)據(jù){>}T，最后在篩選出的日子中選取溫差最 大的一天，并將運(yùn)一天所有時(shí)刻溫度、應(yīng)變和位移傳感器監(jiān)測(cè)值由絕對(duì)值轉(zhuǎn)化為相對(duì)值，并 根據(jù)溫度傳感器監(jiān)測(cè)值，通過(guò)線(xiàn)性差值得到未布設(shè)溫度傳感器處的構(gòu)件溫度值，作為最終 的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，其中，[W]為一天風(fēng)速等級(jí)限值，運(yùn)一天中的總時(shí)刻數(shù)為T(mén);
[0012] 5)基于實(shí)測(cè)支座位移，采用迭代法初步修正所述步驟4)中得到的鋼橋初始有限元 模型的支座水平剛度，具體流程為:首先設(shè)定所有橋墳的支座水平剛度初始值均為Ko，然后 通過(guò)有限元計(jì)算減小結(jié)構(gòu)位移與實(shí)測(cè)值的差值，得到所有支座的水平剛度為Kp;
[0013] 6)對(duì)鋼橋初始有限元模型進(jìn)行靈敏度分析，具體流程為：
[0014] (6-a)建立誤差變量參數(shù)化的概率有限元模型：將包括材料線(xiàn)膨脹系數(shù)巧X}T、彈 性模量K}T和質(zhì)量密度{p}T，構(gòu)件軸向剛度化z}T和活動(dòng)支座的水平剛度化s}T定義為概率有 限元分析的輸入變量，并指定誤差變量的變異范圍和概率分布類(lèi)型，將布設(shè)位移傳感器的 支座位移和布設(shè)應(yīng)變傳感器的構(gòu)件軸向應(yīng)變定義為概率有限元分析的輸出參數(shù)；
[0015] (6-b)利用蒙特卡羅模擬技術(shù)中拉下超立方抽樣法在所述(6-a)指定的輸入變量 變異范圍內(nèi)進(jìn)行N次隨機(jī)抽樣，每完成一次隨機(jī)抽樣就對(duì)所述鋼橋初始有限元模型進(jìn)行一 次有限元計(jì)算，得到隨機(jī)輸入變量{IV}T=(IVi，IV2，IVx. . .IVa)和隨機(jī)輸出變量{0V}T = (OVi，0V2，OVy... OVb)之間的線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)矩陣，其中N為抽樣次數(shù)，a為隨機(jī)輸入變量當(dāng)數(shù)， b為隨機(jī)輸出變量總數(shù)，{IV}T為隨機(jī)輸入變量全集，IVx代表第X個(gè)隨機(jī)輸入變量，{0V}T為隨 機(jī)輸出變量全集，OVy代表第y個(gè)隨機(jī)輸出變量，X為隨機(jī)輸入變量序號(hào)，y為隨機(jī)輸出變量序 號(hào)；
[0016] (6-C)將隨機(jī)輸入變量IVx與對(duì)應(yīng)的隨機(jī)輸出變量OVy的相關(guān)系數(shù)平方和的累加值
由大到小進(jìn)行排序，其中y為隨機(jī)輸入變量I Vx與隨機(jī)輸出變量OVy的相關(guān)系 數(shù)，取相關(guān)系數(shù)累加值大于[Sum]的隨機(jī)輸入?yún)?shù)作為下一步優(yōu)化分析的隨機(jī)輸入變量；
[0017] 7)根據(jù)步驟4)最終得到的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)鋼橋初始有限元模型設(shè)置的T個(gè)荷載工況 分別施加溫度荷載，然后按照W下步驟進(jìn)行有限元計(jì)算:首先采用ANSYS優(yōu)化模塊中的函數(shù) 逼近法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，再在函數(shù)逼近法優(yōu)化的基礎(chǔ)上采用一階尋優(yōu)法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn) 行進(jìn)一步的優(yōu)化，得到修正后的基于非均勻溫度響應(yīng)監(jiān)測(cè)值的有限元模型，兩次優(yōu)化的目 標(biāo)函數(shù)均為：
[001 引
[0019]其中m代表布置有應(yīng)變傳感器的總構(gòu)件數(shù)，n代表布置有位移傳感器的總支座數(shù)， ecai(i，k)和5。31〇，1〇分別代表第k時(shí)刻第i個(gè)構(gòu)件的應(yīng)變計(jì)算值和第j個(gè)支座的位移計(jì)算 值，emea(i，k)和Smea(j，k)分別代表第k時(shí)刻第i個(gè)構(gòu)件的應(yīng)變監(jiān)測(cè)值和第j個(gè)支座的位移監(jiān) 測(cè)值，C為位移的權(quán)重；
[0020] 兩次優(yōu)化的約束條件均包括:位移傳感器所處支座的位移6qys7n5sxhx7Tmin《6qys7n5sxhx7T《6qys7n5sxhx7Tmax 和應(yīng)變傳感器所在桿件的軸向應(yīng)變{SA}Tmin《 {Sa}T《 {SA}Tmax。
[0021] 進(jìn)一步的，本發(fā)明方法中，所述步驟4)中將溫差最大一天所有時(shí)刻不同傳感器監(jiān) 測(cè)值由絕對(duì)值轉(zhuǎn)化為相對(duì)值的具體方法為:將該天溫度傳感器監(jiān)測(cè)值標(biāo)準(zhǔn)方差最小時(shí)刻的 數(shù)據(jù)作為初始值:溫度為{T}T，位移為{S〇}T，應(yīng)變?yōu)閧>〇}T，其他時(shí)刻的數(shù)據(jù)與所述初始值相 減取的結(jié)果作為相對(duì)值，即溫度差值A(chǔ)化,k，及其對(duì)應(yīng)時(shí)刻的應(yīng)變差值EmeaQ，k)、位移差值 5mea( j，k)，其中k=l，2,3... T，h代表第h個(gè)布設(shè)溫度傳感器的構(gòu)件，i代表第i個(gè)布設(shè)應(yīng)變傳 感器的構(gòu)件，j代表第j個(gè)布設(shè)位移傳感器的支座；
[0022] 所述根據(jù)溫度傳感器監(jiān)測(cè)值，通過(guò)線(xiàn)性差值得到未布設(shè)溫度傳感器處的構(gòu)件溫度 值的具體方法為:通過(guò)兩個(gè)布設(shè)溫度傳感器的截面溫度值，按所在高度線(xiàn)性差值得到未布 設(shè)溫度傳感器的截面溫度分布，通過(guò)截面上下端溫度值線(xiàn)性差值得到沿截面高度方向的溫 度。
[0023] 進(jìn)一步的，本發(fā)明方法中，所述步驟5)中有限元計(jì)算的具體流程為：
[0024] (a)根據(jù)步驟4)最終得到的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)鋼橋初始有限元模型設(shè)置T個(gè)荷載工況 分別施加溫度荷載，得到第k個(gè)工況第j個(gè)支座的位移5。31( j，k)，k= 1，2，3--T;
[0025] (b)根據(jù)下式計(jì)算第P步迭代下的支座水平剛度：
[00%]
其中n為布置有位移傳感器的總支座數(shù)， Kp為第P次迭代時(shí)支座的水平剛度，初始時(shí)取Ko, Smea(j，k)表示實(shí)際監(jiān)測(cè)位移；
[0027] (C)令殘差
判斷s《[s]是否成立，若是，則迭代結(jié)束，將此 時(shí)的Kp作為支座水平剛度;若否，則返回步驟化）。
[0028] 有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有W下優(yōu)點(diǎn)：
[0029] (1)本發(fā)明提出的鋼橋有限元模型修正方法充分利用實(shí)測(cè)溫度與結(jié)構(gòu)響應(yīng)，輸入 輸出明確，方法穩(wěn)定性和魯棒性好。結(jié)構(gòu)受到的溫度效應(yīng)是時(shí)刻變化的，溫度效應(yīng)產(chǎn)生的結(jié) 構(gòu)響應(yīng)也在時(shí)刻變化，因此可W通過(guò)采用多個(gè)時(shí)刻的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)同時(shí)對(duì)有限元模型進(jìn)行修 正，W避免某些時(shí)刻數(shù)據(jù)失真產(chǎn)生的誤差，同時(shí)也可W采用全年多個(gè)時(shí)刻的不同溫度場(chǎng)及 其響應(yīng)結(jié)果對(duì)修正后的有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證。
[0030] (2)鋼橋線(xiàn)膨脹系數(shù)大，溫度作用下變化明顯，監(jiān)測(cè)精度高。由于噪聲的干擾、環(huán)境 激勵(lì)的不充分W及受到環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)荷載、交通荷載環(huán)境因素等的影響，基于環(huán)境激 勵(lì)的模態(tài)測(cè)試結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)存在復(fù)雜而且微弱的缺點(diǎn)，而鍵擊法等人工激勵(lì)引起橋梁 額外的損傷。本發(fā)明采用晝夜溫差較大天數(shù)的溫度變化作為鋼橋的溫度場(chǎng)，結(jié)構(gòu)的應(yīng)變響 應(yīng)和位移響應(yīng)不僅變化明顯，其布測(cè)方式也不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)?yè)p傷。
[0031] (3)溫度效應(yīng)參數(shù)對(duì)傳感器等硬件要求較低，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)便，監(jiān)測(cè)方案易于實(shí)施。 而基于環(huán)境激勵(lì)的模態(tài)測(cè)試模型修正方法存在模態(tài)參數(shù)難W識(shí)別的問(wèn)題，溫度效應(yīng)采用的 響應(yīng)參數(shù)(支座位移和結(jié)構(gòu)靜應(yīng)變)不僅容易監(jiān)測(cè)，而且與溫度相關(guān)性較高。雖然應(yīng)變監(jiān)測(cè) 值包括靜應(yīng)變和動(dòng)應(yīng)變，但是車(chē)輛產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)變可W利用小波包分解技術(shù)很容易的剔除。
[0032] (4)基于模態(tài)等動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)往往難W修正局部構(gòu)件的損傷，而鋼橋在全年溫度 場(chǎng)作用下構(gòu)件的應(yīng)變和支座的位移變化明顯，本修正方法可W針對(duì)結(jié)構(gòu)易損位置和橋梁支 座布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼橋易損構(gòu)件軸向剛度和支座水平剛度的精細(xì)修正。
[0033] (5)基于溫度靈敏度分析和優(yōu)化修正的模型更能反映結(jié)構(gòu)時(shí)變規(guī)律，可為后續(xù)結(jié) 構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。當(dāng)某些構(gòu)件因環(huán)境載荷的影響持續(xù)產(chǎn)生損傷累積時(shí)，其截面性質(zhì)和 節(jié)點(diǎn)剛度等均可能再次出現(xiàn)偏差，從而引起監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與相同溫度場(chǎng)作用下的有限元模型計(jì) 算結(jié)果出現(xiàn)不同，因此采用修正后的有限元模型可持續(xù)評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀況。
【附圖說(shuō)明】
[0034] 圖1為本發(fā)明方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0036] 對(duì)鋼橋布設(shè)溫度傳感器和應(yīng)變、位移傳感器：
[0037] 由于鋼橋沿順橋向溫度變化差異較小，溫度傳感器應(yīng)重點(diǎn)在鋼橋橫截面沿結(jié)構(gòu)高 度方向不同構(gòu)件上進(jìn)行布設(shè)，如對(duì)于拱橋拱頂、拱腳等典型截面處拱肋、吊桿、橋面板及其 橫縱梁系的各個(gè)構(gòu)件上均布設(shè)溫度傳感器，對(duì)于斜拉橋索塔、跨中等典型截面處塔身、吊 索、橋面板及其橫縱梁系的各個(gè)構(gòu)件上均布設(shè)溫度傳感器，用于監(jiān)測(cè)鋼橋溫度場(chǎng)沿橋梁典 型截面高度方向的變化。此外，在各構(gòu)件截面布設(shè)溫度傳感器時(shí)，應(yīng)沿截面高度方向上下端 分別布設(shè)，用于監(jiān)測(cè)溫度場(chǎng)沿構(gòu)件截面方向的變化。
[0038] 對(duì)鋼橋中易出現(xiàn)誘蝕和損傷的構(gòu)件、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中受力較大的構(gòu)件沿截面高度方向 上下端布設(shè)應(yīng)變傳感器，對(duì)鋼橋各支座位置均布設(shè)位移傳感器。構(gòu)件截面性質(zhì)的誤差主要 為構(gòu)件的軸向剛度化z}T。某些構(gòu)件受到周?chē)h(huán)境的影響出現(xiàn)誘蝕問(wèn)題，也有某些構(gòu)件在長(zhǎng) 期載荷作用下出現(xiàn)局部損傷累積，導(dǎo)致其截面剛度及連接狀態(tài)等均可能與初始狀態(tài)產(chǎn)生較 大差別，而軸向應(yīng)變對(duì)構(gòu)件的溫度響應(yīng)影響較大，因此在所述構(gòu)件截面高度方向在上下端 分別布設(shè)應(yīng)變傳感器，對(duì)監(jiān)測(cè)到的應(yīng)變?nèi)∑骄礧消除彎曲應(yīng)變的影響，W獲取實(shí)際結(jié)構(gòu) 在溫度場(chǎng)作用下的實(shí)測(cè)軸向應(yīng)變。邊界條件的誤差主要為活動(dòng)支座的水平剛度化s}T。鋼橋 采用的橡膠支座或球形支座等均存在一定的水平剛度，但運(yùn)種大型支座的水平剛度值通常 是未知量，對(duì)有限元模型的計(jì)算結(jié)果帶來(lái)很大誤差，需要在各支座處均布置位移傳感器，W 獲取實(shí)際結(jié)構(gòu)在溫度場(chǎng)作用下的實(shí)際位移。同時(shí)為確保數(shù)據(jù)的有效性，在同一橋墳的上下 游支座上均需布置位移傳感器，作為相互校正。此外，由于與支座相連的橋梁弦桿的受力狀 態(tài)與支座的相關(guān)性很大，同時(shí)也容易受到海水等周邊環(huán)境的誘蝕，一般在此類(lèi)桿件上應(yīng)布 設(shè)應(yīng)變傳感器。
[0039] 2)收集并處理鋼橋結(jié)構(gòu)溫度、支座位移和關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)變的全年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，傳感器 的采樣頻率一般較高，使得總監(jiān)測(cè)樣本容量過(guò)大。由于相鄰20min內(nèi)的溫度值變化較小，可 利用每20min內(nèi)的監(jiān)測(cè)平均值來(lái)代表此時(shí)段的監(jiān)測(cè)值，因此可計(jì)算出每一天的總時(shí)刻數(shù)T = 72個(gè)。不同傳感器的數(shù)據(jù)處理方式為:應(yīng)變數(shù)據(jù)同時(shí)包含靜應(yīng)變成分和動(dòng)應(yīng)變成分，應(yīng)剔除 其中動(dòng)應(yīng)變成分。動(dòng)應(yīng)變成分（即突刺部分)主要由列車(chē)荷載引起，每輛列車(chē)經(jīng)過(guò)后會(huì)產(chǎn)生 一個(gè)突刺，且動(dòng)應(yīng)變成分的頻率要遠(yuǎn)高于靜應(yīng)變成分的頻率，兩者差別較大，因此首先利用 小波包分解技術(shù)剔除所述應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的動(dòng)應(yīng)變成分，再對(duì)同一截面上的兩個(gè)應(yīng)變傳感 器測(cè)得的靜應(yīng)變?nèi)∑骄?，作為該?gòu)件的軸向應(yīng)變，對(duì)同一橋墳上多個(gè)位移傳感器的位移 數(shù)據(jù)取平均值作為該橋墳的位移。
[0040] 3)基于ANSre大型有限元軟件，按照設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中的結(jié)構(gòu)幾何尺寸、構(gòu)件截面與位 置、材料性質(zhì)建立鋼橋初始有限元模型，具體流程為:首先，W鋼橋結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)建立有限 元模型的所有節(jié)點(diǎn)，然后，按照設(shè)計(jì)截面、材料參數(shù)W及所在位置建立有限元模型的所有單 元，最后，依據(jù)約束條件對(duì)節(jié)點(diǎn)施加禪合和約束，得到鋼橋初始有限元模型。對(duì)于鋼橋中吊 桿、縱梁、橫梁、巧架等建議采用6自由度梁?jiǎn)卧?，?duì)于橋面板等建議采用4節(jié)點(diǎn)殼單元，對(duì)于 橋墳建議采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元。
[0041] 4)首先篩選出風(fēng)速w《[w]級(jí)的日子的傳感器監(jiān)測(cè)值，[W]為一天風(fēng)速等級(jí)限值，即 鋼橋平均溫度數(shù)據(jù){T}T，及對(duì)應(yīng)時(shí)刻的結(jié)構(gòu)位移數(shù)據(jù){S}T和應(yīng)變響應(yīng)數(shù)據(jù){>}T，最后在篩選 出的天數(shù)中選取溫差最大的一天，將該天溫度傳感器監(jiān)測(cè)值標(biāo)準(zhǔn)方差最小時(shí)刻的數(shù)據(jù)作為 初始值:溫度為{T}T，位移為{Sq}T，應(yīng)變?yōu)閧>q}T，其他時(shí)刻的數(shù)據(jù)與所述初始值相減取的結(jié) 果作為相對(duì)值，即溫度差值A(chǔ)化,k，及其對(duì)應(yīng)時(shí)刻的應(yīng)變差值EmeaQ，k)、位移差值Smea( j，k)， 根據(jù)溫度傳感器監(jiān)測(cè)值，按所在高度線(xiàn)性差值得到未布設(shè)溫度傳感器的截面溫度分布，通 過(guò)截面上下端溫度值線(xiàn)性差值得到沿截面高度方向的溫度，其中，運(yùn)一天中的總時(shí)刻數(shù)為 T，k= 1，2，3. . . T，h代表第h個(gè)布設(shè)溫度傳感器的構(gòu)件，i代表第i個(gè)布設(shè)應(yīng)變傳感器的構(gòu)件， j代表第j個(gè)布設(shè)位移傳感器的支座。
[0042] 5)基于實(shí)測(cè)支座位移采用迭代法初步修正支座水平剛度。橋梁采用的球形支座或 橡膠支座均存在一定的水平剛度，但其數(shù)值不易確定，且對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果影響很大。為加快 后續(xù)優(yōu)化分析的優(yōu)化效率，基于實(shí)測(cè)支座位移，采用迭代法對(duì)鋼橋的支座水平剛度進(jìn)行初步 修正，分為W下幾個(gè)步驟：（5-a)根據(jù)步驟4)得到的鋼橋溫度數(shù)據(jù)對(duì)大跨鋼橋初始有限元模 型設(shè)置T個(gè)荷載工況施加溫度荷載，得到第k個(gè)工況第j個(gè)支座的位移5。31( j，k)，k=l，2,3--- T;(5-b)根據(jù)下式計(jì)算第P步迭代下的支座水平剛屆
其中n代表布置有位移傳感器的總支座數(shù)，Kp為第P次迭代時(shí)支座的水平剛度，初始時(shí)取Ko, 5mea(j，k)表示實(shí)際監(jiān)測(cè)位移；（5-C)令殘差
判斷是否成立，所 述[S]建議取值為0.15XT，認(rèn)為小于該值時(shí)迭代后計(jì)算的位移與實(shí)測(cè)位移較為接近，若是， 則迭代結(jié)束，將此時(shí)的Kp作為支座水平剛度;若否，則返回步驟(5-b)。采用迭代法對(duì)支座水 平剛度進(jìn)行初步修正后，再在步驟7)優(yōu)化分析中進(jìn)行精細(xì)修正。
[0043] 6)基于非均勻溫度場(chǎng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)鋼橋進(jìn)行靈敏度分析。由于邊界條件的 誤差、構(gòu)件物理參數(shù)的誤差和結(jié)構(gòu)連接條件誤差等均可能影響初始有限元模型的計(jì)算結(jié) 果，有必要通過(guò)靈敏度分析確定上述誤差對(duì)計(jì)算結(jié)果(支座位移和結(jié)構(gòu)應(yīng)變）的影響程度。 分為W下幾個(gè)步驟：（6-a)建立誤差變量參數(shù)化的概率有限元模型:將包括材料線(xiàn)膨脹系數(shù) (EX}T、彈性模量腳哺質(zhì)量密度{p}T，構(gòu)件軸向剛度化z}哺活動(dòng)支座的水平剛度化s}T定義 為概率有限元分析的輸入變量，并指定誤差變量的變異范圍和概率分布類(lèi)型，將布設(shè)位移 傳感器的支座位移和布設(shè)應(yīng)變傳感器的構(gòu)件軸向應(yīng)變定義為概率有限元分析的輸出參數(shù)； (6-b)利用蒙特卡羅模擬技術(shù)中拉下超立方抽樣法在所述(6-a)指定的輸入變量變異范圍 內(nèi)進(jìn)行N次隨機(jī)抽樣，每完成一次隨機(jī)抽樣就對(duì)所述鋼橋初始有限元模型進(jìn)行一次有限元 計(jì)算，所述N建議取5000次W上，得到隨機(jī)輸入變量{IV}T=(IVl，IV2，IVx...IVa)和隨機(jī)輸出 變量{OV} T =( OVi，0V2，OVy... OVb)之間的線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)矩陣，其中N為抽樣次數(shù)，a為隨機(jī)輸 入變量總數(shù)，b為隨機(jī)輸出變量總數(shù)，{IV}T為隨機(jī)輸入變量全集，IVx代表第X個(gè)隨機(jī)輸入變 量，{〇V}T為隨機(jī)輸出變量全集，OVy代表第y個(gè)隨機(jī)輸出變量，X為隨機(jī)輸入變量序號(hào)，y為隨 機(jī)輸出變量序號(hào)；（6-C)將隨機(jī)輸入變量IVx與對(duì)應(yīng)的隨機(jī)輸出變量OVy的相關(guān)系數(shù)平方和的 累加值
自大到小進(jìn)行排序，其中rx,y為隨機(jī)輸入變量IVx與隨機(jī)輸出變量OVy的 相關(guān)系數(shù)，取相關(guān)系數(shù)累加值大于[Sum]的隨機(jī)輸入?yún)?shù)作為下一步優(yōu)化分析的隨機(jī)輸入 變量，所述[Sum]由工程設(shè)計(jì)人員根據(jù)工程實(shí)踐中選取的隨機(jī)輸入變量數(shù)a和隨機(jī)輸出變量 數(shù)b進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)I rx,y I越接近1，說(shuō)明兩變量的相關(guān)性越高。
[0044] 7)通過(guò)縮小計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的差值對(duì)鋼橋有限元模型進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)步驟4) 最終得到的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)鋼橋初始有限元模型設(shè)置T個(gè)荷載工況分別施加溫度荷載，所述 有限元計(jì)算按照W下步驟進(jìn)行:首先采用ANSYS優(yōu)化模塊中的函數(shù)逼近法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行 優(yōu)化，再在函數(shù)逼近法優(yōu)化的基礎(chǔ)上采用一階尋優(yōu)法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，得到 修正后的某干非挽幻溫度響府臨測(cè)估的有限元橫巧，兩次優(yōu)化的目標(biāo)巧敬均為：
[0045]
[0046] 其中m代表布置有應(yīng)變傳感器的總構(gòu)件數(shù)，n代表布置有位移傳感器的總支座數(shù)， ecai(i，k)和5。31〇，1〇分別代表第k時(shí)刻第i個(gè)構(gòu)件的應(yīng)變計(jì)算值和第j個(gè)支座的位移計(jì)算 值，emea(i，k)和Smea(j，k)分別代表第k時(shí)刻第i個(gè)構(gòu)件的應(yīng)變監(jiān)測(cè)值和第j個(gè)支座的位移監(jiān) 測(cè)值，C作為位移的權(quán)重。
[0047] 兩次優(yōu)化的約束條件均包括:位移傳感器所處支座的位移6qys7n5sxhx7Tmin《6qys7n5sxhx7T《6qys7n5sxhx7Tmax 和應(yīng)變傳感器所在桿件的軸向應(yīng)變{SA}Tmin《{SA}T《{SA}Tmax，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果將狀態(tài)變量的 限值定義在正常范圍W內(nèi)。
[004引8)采用其他溫度場(chǎng)時(shí)刻的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)修正后的有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證。由于全年的 溫度場(chǎng)在不斷變化，因此可采用不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)對(duì)修正后的有限元模型進(jìn)行分析，將計(jì) 算結(jié)果與對(duì)應(yīng)的響應(yīng)監(jiān)測(cè)值對(duì)比，W驗(yàn)證鋼橋有限元模型的正確性。具體流程為：（8-a)在 溫度場(chǎng)天數(shù)中選取一天用于驗(yàn)證，初始時(shí)刻選取一天中溫度傳感器監(jiān)測(cè)值標(biāo)準(zhǔn)方差最小的 時(shí)刻，其他時(shí)刻的數(shù)據(jù)與初始值相減取相對(duì)值，得到溫度差值A(chǔ) r h, k，及其對(duì)應(yīng)時(shí)刻的應(yīng)變 差值e\ea( j，k)、位移差值mea( j，k)，k= 1，2，3 . . . r，i代表第i個(gè)布設(shè)應(yīng)變傳感器的構(gòu)件， j代表第j個(gè)布設(shè)位移傳感器的支座，為該天的總時(shí)刻數(shù)；（8-b)采用步驟7)建立的修正后 有限元模型，對(duì)鋼橋初始模型設(shè)置r個(gè)荷載工況，每個(gè)對(duì)布設(shè)溫度傳感器的構(gòu)件升溫A TVk,未布設(shè)溫度傳感器的截面溫度分布可通過(guò)兩個(gè)布設(shè)溫度傳感器的典型截面溫度值按 所在高度線(xiàn)性差值得到，沿截面高度方向的溫度可通過(guò)上下端溫度值進(jìn)行線(xiàn)性差值，第k個(gè) 工況計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的殘差為：
[0049]
[0050] 其中m代表布置有應(yīng)變傳感器的總構(gòu)件數(shù)，n代表布置有位移傳感器的總支座數(shù)， 6/。31(1，1〇和5/。31〇'，1〇分別代表第加寸刻第1個(gè)構(gòu)件的應(yīng)變計(jì)算值和第^'個(gè)支座的位移計(jì)算 值。
[0051] 上述實(shí)施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可W做出若干改進(jìn)和等同替換，運(yùn)些對(duì)本發(fā)明 權(quán)利要求進(jìn)行改進(jìn)和等同替換后的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于非均勻溫度響應(yīng)監(jiān)測(cè)值的鋼橋有限元模型修正方法，其特征在于，該方法 包括以下步驟： 1) 根據(jù)建立鋼橋初始有限元模型時(shí)存在的邊界條件誤差、構(gòu)件截面性質(zhì)誤差、材料性 質(zhì)的誤差和結(jié)構(gòu)連接條件失真確定鋼橋溫度傳感器和應(yīng)變、位移傳感器的布測(cè)位置； 2) 收集并處理鋼橋的溫度傳感器數(shù)據(jù)、應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)和位移傳感器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理 的具體方法為:利用小波包分解技術(shù)剔除應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的動(dòng)應(yīng)變成分，再對(duì)同一截面上 的兩個(gè)應(yīng)變傳感器測(cè)得的靜應(yīng)變?nèi)∑骄?，作為該?gòu)件的軸向應(yīng)變;對(duì)同一橋墩上多個(gè)位 移傳感器的位移數(shù)據(jù)取平均值作為該橋墩的位移； 3) 基于ANSYS大型有限元軟件，按照設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中的結(jié)構(gòu)幾何尺寸、構(gòu)件截面與位置、材 料性質(zhì)建立鋼橋初始有限元模型，具體流程為:首先，以鋼橋結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)建立有限元模型 的所有節(jié)點(diǎn)；然后，按照設(shè)計(jì)截面、材料參數(shù)以及所在位置建立有限元模型的所有單元;最 后，依據(jù)約束條件對(duì)節(jié)點(diǎn)施加耦合和約束，得到鋼橋初始有限元模型； 4) 首先篩選出風(fēng)速級(jí)的日子的傳感器監(jiān)測(cè)值，即鋼橋平均溫度數(shù)據(jù){Τ}τ，及對(duì)應(yīng) 時(shí)刻的結(jié)構(gòu)位移數(shù)據(jù){S}WP應(yīng)變響應(yīng)數(shù)據(jù){ε}τ，最后在篩選出的日子中選取溫差最大的一 天，并將這一天所有時(shí)刻溫度、應(yīng)變和位移傳感器監(jiān)測(cè)值由絕對(duì)值轉(zhuǎn)化為相對(duì)值，并根據(jù)溫 度傳感器監(jiān)測(cè)值，通過(guò)線(xiàn)性差值得到未布設(shè)溫度傳感器處的構(gòu)件溫度值，作為最終的溫度 場(chǎng)數(shù)據(jù)，其中，[w]為一天風(fēng)速等級(jí)限值，這一天中的總時(shí)刻數(shù)為Τ; 5) 基于實(shí)測(cè)支座位移，采用迭代法初步修正所述步驟4)中得到的鋼橋初始有限元模型 的支座水平剛度，具體流程為:首先設(shè)定所有橋墩的支座水平剛度初始值均為Κο,然后通過(guò) 有限元計(jì)算減小結(jié)構(gòu)位移與實(shí)測(cè)值的差值，得到所有支座的水平剛度為K P; 6) 對(duì)鋼橋初始有限元模型進(jìn)行靈敏度分析，具體流程為： (6-a)建立誤差變量參數(shù)化的概率有限元模型:將包括材料線(xiàn)膨脹系數(shù){ΕΧ}Τ、彈性模量 {Ε}τ和質(zhì)量密度{ρ}τ，構(gòu)件軸向剛度{KZ}WP活動(dòng)支座的水平剛度{K S}T定義為概率有限元分 析的輸入變量，并指定誤差變量的變異范圍和概率分布類(lèi)型，將布設(shè)位移傳感器的支座位 移和布設(shè)應(yīng)變傳感器的構(gòu)件軸向應(yīng)變定義為概率有限元分析的輸出參數(shù)； (6-b)利用蒙特卡羅模擬技術(shù)中拉丁超立方抽樣法在所述(6-a)指定的輸入變量變異 范圍內(nèi)進(jìn)行N次隨機(jī)抽樣，每完成一次隨機(jī)抽樣就對(duì)所述鋼橋初始有限元模型進(jìn)行一次有 限元計(jì)算，得到隨機(jī)輸入變量{1￥}7=(1￥ 1，1￥2，^...^)和隨機(jī)輸出變量{0￥}7=(0￥1， 0V 2，0Vy. . .OVb)之間的線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)矩陣，其中N為抽樣次數(shù)，a為隨機(jī)輸入變量總數(shù)，b為隨 機(jī)輸出變量總數(shù)，{IV}TS隨機(jī)輸入變量全集，IV X代表第X個(gè)隨機(jī)輸入變量，{〇V}TS隨機(jī)輸 出變量全集，〇Vy代表第y個(gè)隨機(jī)輸出變量，X為隨機(jī)輸入變量序號(hào)，y為隨機(jī)輸出變量序號(hào)； (6-c)將隨機(jī)輸入變量I Vx與對(duì)應(yīng)的隨機(jī)輸出變量0Vy的相關(guān)系數(shù)平方和的累加值 Sw/" = ?Μ·由大到小進(jìn)行排序，其中rx, 隨機(jī)輸入變量I Vx與隨機(jī)輸出變量0Vy的相關(guān)系 產(chǎn):1. 數(shù)，取相關(guān)系數(shù)累加值大于[Sum]的隨機(jī)輸入?yún)?shù)作為下一步優(yōu)化分析的隨機(jī)輸入變量； 7) 根據(jù)步驟4)最終得到的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)鋼橋初始有限元模型設(shè)置的T個(gè)荷載工況分別 施加溫度荷載，然后按照以下步驟進(jìn)行有限元計(jì)算:首先采用ANSYS優(yōu)化模塊中的函數(shù)逼近 法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，再在函數(shù)逼近法優(yōu)化的基礎(chǔ)上采用一階尋優(yōu)法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行進(jìn) 一步的優(yōu)化，得到修正后的基于非均勻溫度響應(yīng)監(jiān)測(cè)值的有限元模型，兩次優(yōu)化的目標(biāo)函 數(shù)均為：其中m代表布置有應(yīng)變傳感器的總構(gòu)件數(shù)，η代表布置有位移傳感器的總支座數(shù)，ecal (11〇和3。31〇，1〇分別代表第1^時(shí)刻第1個(gè)構(gòu)件的應(yīng)變計(jì)算值和第」個(gè)支座的位移計(jì)算值， ￡?^(11〇和3_ 3〇，1〇分別代表第1^時(shí)刻第1個(gè)構(gòu)件的應(yīng)變監(jiān)測(cè)值和第」個(gè)支座的位移監(jiān)測(cè) 值，c為位移的權(quán)重； 兩次優(yōu)化的約束條件均包括:位移傳感器所處支座的位移6qys7n5sxhx7Tmin<6qys7n5sxhx7T<6qys7n5sxhx7 Tmax和應(yīng) 變傳感器所在桿件的軸向應(yīng)變{SA}Tmin< {SA}T< {SA}Tmax。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非均勻溫度響應(yīng)監(jiān)測(cè)值的鋼橋有限元模型修正方法，其 特征在于，所述步驟4)中將溫差最大一天所有時(shí)刻不同傳感器監(jiān)測(cè)值由絕對(duì)值轉(zhuǎn)化為相對(duì) 值的具體方法為:將該天溫度傳感器監(jiān)測(cè)值標(biāo)準(zhǔn)方差最小時(shí)刻的數(shù)據(jù)作為初始值:溫度為 {Τ} τ，位移為{δ〇}τ，應(yīng)變?yōu)閨>Q}T，其他時(shí)刻的數(shù)據(jù)與所述初始值相減取的結(jié)果作為相對(duì)值， 即溫度差值A(chǔ)Th,k，及其對(duì)應(yīng)時(shí)刻的應(yīng)變差值e mea(i，k)、位移差值Smea(j，k)，其中k=l，2， 3... T，h代表第h個(gè)布設(shè)溫度傳感器的構(gòu)件，i代表第i個(gè)布設(shè)應(yīng)變傳感器的構(gòu)件，j代表第j 個(gè)布設(shè)位移傳感器的支座； 所述根據(jù)溫度傳感器監(jiān)測(cè)值，通過(guò)線(xiàn)性差值得到未布設(shè)溫度傳感器處的構(gòu)件溫度值的 具體方法為:通過(guò)兩個(gè)布設(shè)溫度傳感器的截面溫度值，按所在高度線(xiàn)性差值得到未布設(shè)溫 度傳感器的截面溫度分布，通過(guò)截面上下端溫度值線(xiàn)性差值得到沿截面高度方向的溫度。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于非均勻溫度響應(yīng)監(jiān)測(cè)值的鋼橋有限元模型修正方法，其 特征在于，所述步驟5)中有限元計(jì)算的具體流程為： (a) 根據(jù)步驟4)最終得到的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)鋼橋初始有限元模型設(shè)置T個(gè)荷載工況分別 施加溫度荷載，得到第k個(gè)工況第j個(gè)支座的位移δ Μ?( j，k)，k= 1，2，3···Τ; (b) 根據(jù)下式計(jì)算第p步迭代下的支座水平剛度：其中η為布置有位移傳感器的總支座數(shù)，KP為第p 次迭代時(shí)支座的水平剛度，初始時(shí)取1(()，3_(」，1〇表示實(shí)際監(jiān)測(cè)位移； (c) 令殘差I(lǐng)斷s<[s]是否成立，若是，則迭代結(jié)束，將此時(shí)的Κ Ρ 作為支座水平剛度;若否，則返回步驟(b)。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK105956218SQ201610238017
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年4月15日
【發(fā)明人】黃小剛, 周臻, 丁幼亮, 朱冬平
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)