一种桥梁多源多尺度智能分级预警方法及系统与流程

1.本发明涉及桥梁管养技术领域，尤其涉及一种桥梁多源多尺度智能分级预警方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成现有技术。
3.连续刚构桥是指墩梁固结的连续梁桥，通常采用预应力混凝土结构，有两个以上主墩，采用墩梁固结体系。预应力混凝土连续刚构桥因其结构刚度大、行车平顺性好、造价低的优势在桥梁工程中广泛应用。
4.然而，连续刚构桥在长期服役过程中，随着使用年限的增加，连续刚构的跨中不断下挠，这会使桥梁运营期内出现不良线形而引起行车乘客的不舒适感，甚至危及行车安全。即，桥通车后各种荷载造成梁体受弯而造成跨中向下的位移即下挠度，而连续刚构桥中将出现的跨中严重下挠问题，进而影响桥梁结构的安全性和耐久性，限制连续刚构桥在工程中的进一步应用。因此，对连续刚构桥进行下挠预测风险评估及预警研究，对保证服役期桥梁结构的安全性和耐久性具有重要意义。


技术实现要素：

5.为解决上述现有技术的不足，本发明提供了一种桥梁多源多尺度智能分级预警方法及系统，能够实现对连续刚构桥下挠及裂缝的分级预警，根据连续刚构桥下挠及裂缝的等级选择相应的应对措施，保证服役期桥梁结构的安全性和耐久性。
6.第一方面，本公开提供了一种桥梁多源多尺度智能分级预警方法：
7.一种桥梁多源多尺度智能分级预警方法，包括：
8.根据桥梁的实际设计数据建立桥梁有限元模型和桥梁挠度最大的中跨模型；
9.基于桥梁有限元模型，分析多种不同影响因素对桥梁下挠的影响，得到不同下挠程度下桥梁受到的内力，同时确定桥梁中跨挠度阈值；
10.基于桥梁挠度最大的中跨模型，结合不同下挠程度和不同下挠程度下桥梁受到的内力，分析不同下挠程度下桥梁裂缝情况；
11.基于桥梁裂缝情况，对桥梁中跨挠度阈值进行划分，得到风险评估等级；
12.构建多种不同影响因素与桥梁挠度和裂缝变化的对应关系，根据多种不同影响因素的实际值，确定桥梁的实际挠度和裂缝情况，进而确定对应的风险评估等级。
13.进一步的技术方案，基于midas大型有限元软件，按照设计数据中的结构几何尺寸、构件截面与位置、材料性质建立钢桥初始有限元模型。
14.进一步的技术方案，所述影响因素包括加载龄期、环境相对湿度、预应力损失率、裂缝刚度折减率、超重率。
15.进一步的技术方案，加载龄期、环境相对湿度与桥梁挠度成反比，预应力损失率、
裂缝刚度折减率、超重率与桥梁挠度呈正比。
16.进一步的技术方案，所述确定桥梁中跨挠度阈值是指，结合规范要求所规定的挠跨比获取桥梁中跨挠度阈值。
17.进一步的技术方案，将不同下挠程度下桥梁受到的内力输入到桥梁挠度最大的中跨模型中，依据桥梁挠度最大的中跨模型得到不同下挠程度下的桥梁裂缝情况。
18.进一步的技术方案，所述风险评估等级为：以达到挠度阈值的60％及以下设定为黄色预警，不采取任何措施；以达到挠度阈值的60％～80％设定为橙色预警，适当采取加固措施；以达到挠度阈值的80％以上设定为红色预警，必须尽快采取加固措施。
19.第二方面，本公开提供了一种桥梁多源多尺度智能分级预警系统，包括：
20.模型搭建模块，用于根据桥梁的实际设计数据建立桥梁有限元模型和桥梁挠度最大的中跨模型；
21.风险评估等级划分模块，用于基于桥梁有限元模型，分析多种不同影响因素对桥梁下挠的影响，得到不同下挠程度下桥梁受到的内力，同时确定桥梁中跨挠度阈值；基于桥梁挠度最大的中跨模型，结合不同下挠程度和不同下挠程度下桥梁受到的内力，分析不同下挠程度下桥梁裂缝情况；基于桥梁裂缝情况，对桥梁中跨挠度阈值进行划分，得到风险评估等级；
22.数据处理模块，用于构建多种不同影响因素与桥梁挠度和裂缝变化的对应关系；
23.风险评估模块，用于根据多种不同影响因素的实际值，确定桥梁的实际挠度和裂缝情况，进而确定对应的风险评估等级。
24.第三方面，本公开还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一方面所述方法的步骤。
25.第四方面，本公开还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述方法的步骤。
26.以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
27.1、本公开提出了一种桥梁多源多尺度智能分级预警方法及系统，通过对桥梁整体、桥梁挠度和桥梁局部裂缝的分析，得到桥梁多个不同影响因素与桥梁挠度和裂缝情况之间的关系，并依据裂缝情况对桥梁挠度阈值进行划分，划分得到风险评估等级，根据桥梁的实际影响因素值即可实现桥梁的风险评估，便于工作人员做出相对应的应对措施。
28.2、本公开提出了一种桥梁多源多尺度智能分级预警方法及系统，通过对裂缝的分析，获得实际连续刚构桥挠度的合理阈值，实现对连续刚构桥下挠及裂缝的分级预警，根据连续刚构桥下挠及裂缝的等级选择相应的应对措施，保证服役期桥梁结构的安全性和耐久性。
附图说明
29.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
30.图1为本发明实施例所述桥梁多源多尺度智能分级预警方法的整体框架图。
具体实施方式
31.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
32.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
33.实施例一
34.本实施例提供了一种桥梁多源多尺度智能分级预警方法：
35.如图1所示，一种桥梁多源多尺度智能分级预警方法，包括：
36.步骤1、根据桥梁的实际设计数据建立桥梁有限元模型和桥梁挠度最大的中跨模型；
37.步骤2、基于桥梁有限元模型，分析多种不同影响因素对桥梁下挠的影响，得到不同下挠程度下桥梁受到的内力，同时确定桥梁中跨挠度阈值；
38.步骤3、基于桥梁挠度最大的中跨模型，结合不同下挠程度和不同下挠程度下桥梁受到的内力，分析不同下挠程度下桥梁裂缝情况；
39.步骤4、基于桥梁裂缝情况，对桥梁中跨挠度阈值进行划分，得到风险评估等级；
40.步骤5、构建多种不同影响因素与桥梁挠度和裂缝变化的对应关系，根据多种不同影响因素的实际值，确定桥梁的实际挠度和裂缝情况，进而确定对应的风险评估等级。
41.在本实施例中，步骤1中，首先对桥梁整体进行分析，根据桥梁的实际设计数据建立桥梁有限元模型和桥梁挠度最大的中跨模型。
42.有限元分析是结构力学分析中的一种有效的数值分析方法，常应用于水工、土建、桥梁、机械、电机、力学、物理学等技术领域。现有技术中，基于有限元分析算法编制的软件，即有限元分析软件，包含多种，常见通用有限元软件包括midas、abaqus、lms-samtech、algor、femap/nx nastran、hypermesh、comsol multiphysics、fepg等。在本实施例中，根据桥梁的实际工程的设计资料、施工资料等，应用midas有限元软件构建桥梁的有限元模型，该设计资料、施工资料主要是包括桥梁的形状、材料、尺寸、施工阶段、施工步骤、环境因素等。具体的，基于midas大型有限元软件，按照设计数据中的结构几何尺寸、构件截面与位置、材料性质建立桥梁有限元模型，具体流程为：首先，以钢桥结构节点坐标建立有限元模型的所有节点；然后，按照设计截面、材料参数以及所在位置建立有限元模型的所有单元；最后，依据约束条件对节点施加耦合和约束，得到桥梁有限元模型。
43.同样，在本实施例中，根据桥梁的实际工程的设计资料、施工资料等，应用abaqus有限元软件构建桥梁挠度最大的中跨模型。
44.桥梁有限元模型是用于对桥梁整体受力及位移变形情况进行分析，而桥梁挠度最大的中跨模型是用于对桥梁跨中局部裂缝情况进行分析。
45.桥梁裂缝问题会严重危害道路桥梁的耐久性与承载力，且不同程度的裂缝，其危害程度也不尽相同，程度轻可妨碍司机驾车的舒适度，程度重可直接危害车辆及人身安全。也就是说，裂缝对桥梁的整体刚度及使用性安全性影响较大，对桥梁进行整体分析结合跨
中最大挠度处的裂缝分析，能够更好把握桥梁的性能。
46.步骤2中，基于构建的桥梁有限元模型，分析多种不同影响因素对桥梁下挠的影响，得到不同下挠程度下桥梁受到的内力，同时确定桥梁中跨挠度阈值。
47.具体的，基于建立的midas桥梁有限元模型，分析多种常见影响因素对桥梁下挠的影响，首先，根据连续刚构桥研究现状，结合连续刚构桥工程实际情况，确定多种不同影响桥梁下挠的影响因素，对该影响因素进行筛选，剔除影响较小的因素，保留影响较大的因素，最终确定影响较大的影响因素。上述多种不同影响桥梁下挠的影响因素的选择根据工程的具体实际情况确定，同样，针对该影响因数的筛选，技术人员也可根据具体工程实际而自行判定，剔除某些影响因素或不剔除，本实施例在此并不做限定。在本实施例中，最终确定影响较大的影响因素包括加载龄期、环境相对湿度、预应力损失率、裂缝刚度折减率、超重率。
48.在确定影响因素后，分析多种不同影响因素对桥梁下挠的影响，基于该桥梁有限元模型，调节上述影响因素数值，如调节加载龄期天数、环境相对湿度百分率、预应力损失百分率、刚度折减百分率、超重率，通过变动影响因素数值，调节出多种工况，观察该桥梁在不同工况下的下挠变化规律，通过midas有限元软件得到不同下挠程度下桥梁受到的内力。
49.其中，环境相对湿度越高，下挠越小；加载龄期越长，下挠越小；预应力损失率越高，下挠越大；裂缝刚度折减率越高，下挠越大；超重率越高，下挠越大。即加载龄期、环境相对湿度与桥梁挠度成反比，预应力损失率、裂缝刚度折减率、超重率与桥梁挠度呈正比。
50.此外，确定桥梁中跨挠度阈值是指，结合规范要求所规定的挠跨比获取所研究的连续刚构桥梁中跨挠度阈值，其中，该规定挠跨比是指根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(jtg3362-2018)规定的挠跨比，挠跨比不应超过1/600。
51.步骤3中，基于桥梁挠度最大的中跨模型，结合不同下挠程度和不同下挠程度下桥梁受到的内力，分析不同下挠程度下桥梁裂缝情况。
52.将上述步骤2中得到的不同下挠程度下桥梁受到的内力输入到abaq us有限元分析软件构建的桥梁挠度最大的中跨模型中，该桥梁挠度最大的中跨模型模拟出桥梁裂缝情况，通过调节加载龄期天数、环境相对湿度百分率、预应力损失百分率、刚度折减百分率、超重率在一定数值范围内变化，确定不同工况对应的桥梁挠度和裂缝情况。实际上，连续刚构桥下挠值越大，裂缝越多越宽，裂缝情况更严重。
53.步骤4中，基于桥梁裂缝情况，对桥梁中跨挠度阈值进行划分，得到风险评估等级。通过步骤2和步骤3分别获取不同工况下相对应的桥梁中跨挠度阈值和裂缝情况，根据不同工况下的裂缝情况，对桥梁中跨挠度阈值进行划分，得到风险评估等级。
54.对裂缝情况的分析可根据具体实际工况确定，如根据裂缝的宽度将裂缝情况划分为无害、轻微和严重等。根据裂缝情况对对桥梁中跨挠度阈值进行划分，实现风险评估等级的划分，在本实施例中，以达到挠度阈值的60％及以下设定为黄色预警，此时挠度及裂缝可忽略，不采取任何措施；以达到挠度阈值的60％～80％设定为橙色预警，应当适当采取加固措施；以达到挠度阈值的80％以上设定为红色预警，必须尽快采取加固措施。
55.步骤5中，构建多种不同影响因素与桥梁挠度和裂缝变化的对应关系，根据多种不同影响因素的实际值，确定桥梁的实际挠度和裂缝情况，进而确定对应的风险评估等级。
56.具体的，通过上述步骤得到的多种不同影响因素的数值及该数值下的桥梁挠度和
裂缝情况，以此构建内力-挠度-裂缝三者相对应的数据库，采用python进行数据处理，构建多种不同影响因素与桥梁挠度和裂缝变化的对应关系。在此基础上，根据该桥梁的实际的多个或单个影响因素数值，即可确定该桥梁当前的实际挠度和裂缝情况，结合确定的挠度阈值，进而确定该桥梁的风险评估等级，根据风险评估等级选择是否采取加固措施。
57.本实施例上述方案，通过对裂缝的分析，获得实际连续刚构桥挠度的合理阈值，实现对连续刚构桥下挠及裂缝的分级预警，根据连续刚构桥下挠及裂缝的等级选择相应的应对措施，保证服役期桥梁结构的安全性和耐久性。
58.实施例二
59.本实施例提供了一种桥梁多源多尺度智能分级预警系统，包括：
60.模型搭建模块，用于根据桥梁的实际设计数据建立桥梁有限元模型和桥梁挠度最大的中跨模型；
61.风险评估等级划分模块，用于基于桥梁有限元模型，分析多种不同影响因素对桥梁下挠的影响，得到不同下挠程度下桥梁受到的内力，同时确定桥梁中跨挠度阈值；基于桥梁挠度最大的中跨模型，结合不同下挠程度和不同下挠程度下桥梁受到的内力，分析不同下挠程度下桥梁裂缝情况；基于桥梁裂缝情况，对桥梁中跨挠度阈值进行划分，得到风险评估等级；
62.数据处理模块，用于构建多种不同影响因素与桥梁挠度和裂缝变化的对应关系；
63.风险评估模块，用于根据多种不同影响因素的实际值，确定桥梁的实际挠度和裂缝情况，进而确定对应的风险评估等级。
64.实施例三
65.本实施例提供了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成如上所述的桥梁多源多尺度智能分级预警方法中的步骤。
66.实施例四
67.本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成如上所述的桥梁多源多尺度智能分级预警方法中的步骤。
68.以上实施例二至四中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。
69.本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
70.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
71.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范
围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。