基于复杂系统理论的桥梁或构件安全状态预测方法
【专利说明】基于复杂系统理论的桥梁或构件安全状态预测方法 发明领域
[0001] 本发明涉及到在役桥梁或构件安全状态预测技术，特别涉及到一种基于复杂系统 理论的桥梁或构件安全状态预测方法。
【背景技术】
[0002] 近年来随着桥梁建设事业的迅猛发展，桥梁结构形式与功能日趋复杂，工程的规 模也越来越大。然而，在世界各国都相继发生了一些桥梁突然性的破坏事件，这些灾难性的 事件使得各国科研人员认为：对桥梁在运营状态下的健康监测问题的研宄是刻不容缓的； 通过对桥梁结构状态的监控与预测，可以达到保证桥梁安全运营，避免桥梁安全事故发生 的目的；同时监测信息可为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。
[0003] 然而，目前针对大体量、多自由度、荷载激励未知的桥梁结构，只是单纯得到各个 结构截面的应力、应变、挠度和加速度等结构响应信息，在产生了海量的监测数据的情况 下，却无法获取对结构整体或构件整体的准确、可靠的安全状态预测信息。结构健康监测 所获取的结构响应信息来源于结构各部位在随机荷载激励下的振动响应，其本质是振动系 统在外部激励下的系统耗散过程。因此，如何将各部位监测得到的振动响应信息与结构系 统统一结合起来，实现对桥梁结构健康监测及安全预测本质的认识是目前国内外研宄的热 点。然而，如何从监测到的海量桥梁结构实时响应信息中，提取能够切实反映桥梁结构安全 状态的参数，并依此建立桥梁安全预测模型是亟需解决的重大难题。
【发明内容】
[0004] 为从监测到的海量桥梁结构实时响应信息中提取能够切实反映桥梁结构安全状 态的参数，并依此建立桥梁安全预测模型，本发明提出一种基于复杂系统理论的桥梁或构 件安全状态预测方法。本发明基于复杂系统理论的桥梁或构件安全状态预测方法，将桥梁 或构件看作一个复杂系统，建立不同损伤工况条件下的桥梁或构件的非线性动力学有限元 模型；获取有限元模型在不同损伤工况条件下各监测测点的加速度和动位移，提取其复杂 性特征指标；结合有限元模型监测测点，获取在役桥梁或构件相同位置上的加速度和动位 移，并提取其复杂性特征指标；采用提取有限元模型和在役桥梁的复杂性特征指标相互对 比分析，构建在役桥梁结构安全状态预测模型；采用桥梁或构件安全状态预测模型并结合 桥梁或构件各周期的监测数据，对桥梁或构件在各个周期的安全状态进行预测。
[0005] 进一步的，本发明基于复杂系统理论的桥梁或构件安全状态预测方法，将桥梁或 构件看作一个复杂系统，建立不同损伤工况条件下的桥梁或构件的非线性动力学有限元 模型，包括，不同损伤工况的划分要尽可能包含所有桥梁损伤劣化的方式，并以不同的损伤 程度进行划分；通过对不同损伤工况条件下结构非线性特性的分析，建立非线性动力学模 型：
[0006] [μ]{λ-! +[c]|.v! +[/c]j.v! = \F(r)\
[0007] 其中，[Μ]、[C]和[K]分别是质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；jv：丨、j.v丨和{x}分 别是加速度向量、速度向量和位移向量；{F(t)}是载荷向量，即激励阵。
[0008] 进一步的，本发明基于复杂系统理论的桥梁或构件安全状态预测方法，获取有限 元模型在不同损伤工况条件下各监测测点的加速度和动位移，提取其复杂性特征指标，包 括，测点的布置原则主要通过对结构受力分析，确定出结构振动剧烈或是非线性特征较强 的部位，而且每个工况下的监测测点位置要保持一致，然后，分别获取有限元模型相应部位 的加速度和动位移，再提取各测点的复杂性特征指标；所述复杂性特征指标包括：时间延 迟、嵌入维、最大L指数、分形维数、相空间pioncare截面半径。
[0009] 进一步的，本发明基于复杂系统理论的桥梁或构件安全状态预测方法，结合有限 元模型监测测点，获取在役桥梁或构件相同位置上的加速度和动位移，并提取其复杂性特 征指标，包括，在役桥梁监测测点的布置位置与有限元模型监测测点的位置一一对应，同时 获取在役桥梁各个测点的加速度和动位移，并提取与有限元模型相同的复杂性特征指标； 所述复杂性特征指标包括：时间延迟、嵌入维、最大L指数、分形维数、相空间pioncare截面 半径。
[0010] 进一步的，本发明基于复杂系统理论的桥梁或构件安全状态预测方法，采用提取 有限元模型和在役桥梁的复杂性特征指标相互对比分析，构建在役桥梁结构安全状态预测 模型，包括，所述桥梁或构件安全状态预测模型为：
[0011] R(J)G 丨I1(J)
[0012] 其中，R(t)为桥梁或构件的结构参数指标，HJt)为时变复杂性特征指标，G表示 映射关系。
[0013] 进一步的，本发明基于复杂系统理论的桥梁或构件安全状态预测方法，包括以下 步骤：
[0014] S1、将桥梁或构件看作一个复杂系统，建立不同损伤工况条件下的桥梁或构件的 非线性动力学有限元模型，包括，不同损伤工况的划分要尽可能包含所有桥梁损伤劣化的 方式，并以不同的损伤程度进行划分；通过对不同损伤工况条件下结构非线性特性的分析， 建立非线性动力学模型：
[0015] [,M]{.vj+[c]{A： + [/C]{.v! = {/r(rU
[0016] 其中，[Μ]、[C]和[K]分别是质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；.j.v丨、丨\丨和{x}分 别是加速度向量、速度向量和位移向量；{F(t)}是载荷向量，即激励阵；
[0017] S2、获取有限元模型在不同损伤工况条件下各监测测点的加速度和动位移，提取 其复杂性特征指标，包括，测点的布置原则主要通过对结构受力分析，确定出结构振动剧烈 或是非线性特征较强的部位，而且每个工况下的监测测点位置要保持一致，然后，分别获取 有限元模型相应部位的加速度和动位移，再提取各测点的复杂性特征指标；所述复杂性特 征指标包括：时间延迟、嵌入维、最大L指数、分形维数、相空间pioncare截面半径；
[0018] S3、结合有限元模型监测测点，获取在役桥梁或构件相同位置上的加速度和动位 移，并提取其复杂性特征指标，包括，在役桥梁监测测点的布置位置与有限元模型监测测点 的位置一一对应，同时获取在役桥梁各个测点的加速度和动位移，并提取与有限元模型相 同的复杂性特征指标；所述复杂性特征指标包括：时间延迟、嵌入维、最大L指数、分形维 数、相空间pioncare截面半径；
[0019] S4、采用提取有限元模型和在役桥梁的复杂性特征指标相互对比分析，构建在役 桥梁结构安全状态预测模型，包括，所述桥梁或构件安全状态预测模型为：
[0020] R(t) <-> II( (t)
[0021] 其中，R(t)为桥梁或构件的结构参数指标，HJt)为时变复杂性特征指标，^表示 映射关系；
[0022] S5、采用桥梁或构件安全状态预测模型并结合桥梁或构件各周期的监测数据，对 桥梁或构件在各个周期的安全状态进行预测。
[0023] 本发明基于复杂系统理论的桥梁或构件安全状态预测方法的有益技术效果是将 整个桥梁结构作为一个复杂系统，采用复杂系统理论与相空间重构方法在桥梁监测信息中 提取桥梁安全状态信息并建立预测模型，极大提升了桥梁安全监测系统的工程应用价值。
【附图说明】
[0024] 附图1是本发明基于复杂系统理论的桥梁或构件安全状态预测方法的步骤示意 图。
[0025] 下面结合附图及具体实施例对本发明基于复杂系统理论的桥梁或构件安全状态 预测方法作进一步的说明。
【具体实施方式】
[0026] 本发明基于复杂系统理论的桥梁或构件安全状态预测方法，将桥梁或构件看作一 个复杂系统，建立不同损伤工况条件下的桥梁或构件的非线性动力学有限元模型；获取有 限元模型在不同损伤工况条件下各监测测点的加速度和动位移，提取其复杂性特征指标； 结合有限元模型监测测点，获取在役桥梁或构件相同位置上的加速度和动位移，并提取其 复杂性特征指标；采用提取有限元模型和在役桥梁的复杂性特征指标相互对比分析，构建 在役桥梁结构安全状态预测模型；采用桥梁或构件安全状态预测模型并结合桥梁或构件各 周期的监测数据，对桥梁或构件在各个周期的安全状态进行预测；其中，
[0027] 将桥梁或构件看作一个复杂系统，建立不同损伤工况条件下的桥梁或构件的非线 性动力学有限元模型，包括，不同损伤工况的划分要尽可能包含所有桥梁损伤劣化的方式， 并以不同的损伤程度进行划分；通过对不同损伤工况条件下结构非线性特性的分析，建立 非线性动力学模型：
[0028] [M]!.'.丨 +[/φ.丨=!F(0i
[0029] 其中，[Μ]、[C]和[K]分别是质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；j γ丨、丨X丨和{x}分 别是加速度向量、速度向量和位移向量；{F(t)}是载荷向量，即激励阵。
[0030] 获取有限元模型在不同损伤工况条件下各监测测点的加速度和动位移，提取其复 杂性特征指标，包括，测点的布置原则主要通过对结构受力分析，确定出结构振动剧烈或是 非线性特征较强的部位，而且每个工况下的监测测点位置要保持一致，然后，分别获取有限 元模型相应部位的加速度和动位移，再提取各测点的复杂性特征指标；所述复杂性特征指 标包括：时间延迟、嵌入维、最大L指数、分形维数、相空间pioncare截面半径。
[0031] 结合有限元模型监测测点，获取在役桥梁或构件相同位置上的加速度和动位移， 并提取其复杂性特征指标，包括，在役桥梁监测测点的布置位置与有限元模型监测测点的 位置一一对应，同时获取在役桥梁各个测点的加速度和动位移，并提取与有限元模型相同