大跨钢桥基于均匀温度响应监测值的有限元模型修正方法
【专利摘要】本发明公开了一种大跨钢桥基于均匀温度响应监测值的有限元模型修正方法，包括以下步骤：1)对大跨钢桥全年监测数据进行分析，找出均匀温度场作用下结构的响应规律2)根据设计数据建立初步的有限元模型3)采用迭代法初步确定钢桥支座水平刚度4)基于大跨钢桥温度响应数据对大跨钢桥进行灵敏度分析，确定与实测数据相关系数较高的设计变量5)通过缩小有限元计算结果与实测数据的差值对大跨钢桥有限元模型进行优化分析。该方法与普遍采用的基于试验模态数据等动力响应结果的有限元模型修正方法相比，具有简单准确，费用较低，安全性好的有优点。
【专利说明】
大跨钢桥基于均匀溫度响应监测值的有限元模型修正方法
技术领域
[0001] 本发明属于±木工程数值模拟分析领域，设及一种大跨钢桥基于均匀溫度响应监 测值的有限元模型修正方法。
【背景技术】
[0002] 随着国民经济的高速发展，我国的大型桥梁建设速度迅猛。钢桥因跨越能力强、施 工速度快等被广泛应用于大跨度桥梁，在当地的环境、经济和社会生活中扮演着关键的角 色。大跨度钢桥跨度较大，构件种类繁多，结构布局复杂。因环境载荷作用、疲劳效应和材料 老化等不利因素的影响，桥梁在长期的使用过程中将不可避免地出现各种缺陷，导致结构 局部关键构件损伤累积。如果结构的刚度和承载力下降等现象不能及时被发现，并得到及 时的维修，不仅会影响结构的正常使用，甚至有可能会发生突然破坏或倒塌等灾难性事故。
[0003] 通过有限元数值模拟技术建立大跨度桥梁有限元模型是合理预测桥梁安全性、耐 久性和抗震性能等较为普遍的方法。但由于桥梁在长期使用中出现的各种缺陷，使得根据 设计数据建立的有限元模型与结构存在着边界条件、材料和截面参数、质量和荷载分布等 误差，因此有限元模型难W准确地反映结构在服役载荷作用下的行为与工作状态，有必要 基于健康监测系统的响应监测值对有限元模型进行修正，W便于通过修正后的有限元模型 对桥梁进行进一步的安全评估。
[0004] 目前普遍采用试验模态数据等动力响应结果对大跨度钢桥进行有限元模型的修 正，近年来广泛采用的基于环境激励的模态测试虽然安全性好，并且不影响桥梁的正常使 用，但也存在很多不足：1)环境激励存在未知输入，例如包含各种噪声干扰;2)模态参数识 别基于模态理论假设;3)无法确定结构的局部响应;4)精确的模态参数识别要求较高，数据 处理量较大，不利于工程人员掌握;5)传感器数量要求较多。
[0005] 由于钢材的线膨胀系数较大，大跨度钢桥在溫度场作用下响应监测值会较为明 显，因此针对基于动力特性有限元模型修正存在的问题，本发明提出基于均匀溫度响应监 测值的有限元模型修正方法，该方法简单准确，费用较低，安全性好。
【发明内容】
[0006] 技术问题:本发明提供一种简单准确、成本较低、安全性好的大跨钢桥基于均匀溫 度响应监测值的有限元模型修正方法。
[0007] 技术方案:本发明的大跨钢桥基于均匀溫度响应监测值的有限元模型修正方法， 包括W下步骤：
[000引1)根据建立大跨钢桥有限元模型时存在的边界条件误差、构件截面性质误差、材 料性质的误差和结构连接条件失真确定大跨钢桥溫度传感器和应变、位移传感器的布测位 置；
[0009] 2)收集并处理大跨钢桥的溫度传感器数据、应变传感器数据和位移传感器数据， 数据处理的具体方法为：
[0010] 对t时刻所有溫度传感器的溫度数据取平均值Tave,t，即
了。,*为*时 刻第q个溫度传感器的实测溫度数据，1为溫度传感器总数；
[0011] 利用小波包分解技术剔除应变监测数据中的动应变成分，再对同一截面上的两个 应变传感器测得的静应变取平均值，作为该构件的轴向应变；
[0012] 对同一桥墳上多个支座位移传感器的位移数据取平均值作为该桥墳的位移；
[0013] 3)首先计算同一时刻所有溫度传感器监测值的标准方差，对同一天所有时刻不同 溫度传感器监测值的标准方差进行累加，筛选出标准方差累加值Sumi《[Sumi]且风速 [W]级的日子的传感器监测值，最终得到溫度场均匀的日子的监测数据，即均匀溫度场数据 (T}T，及对应时刻的结构位移数据{5}1和应变响应数据{>}1，最后在均匀溫度场数据{T}T中 选取溫差最大的一天，并将运一天所有时刻不同传感器监测值由绝对值转化为相对值，作 为最终的均匀溫度场数据，其中[Sumi]为一天标准方差累加值限值，[W]为一天风速等级限 值，运一天中的总时刻数为T;
[0014] 4)基于ANSre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、材料性质建立大跨钢桥初始有限元模型，具体流程为:首先，W大跨钢桥结构节点坐标 建立有限元模型的所有节点；然后，按照设计截面、材料参数W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禪合和约束，得到大跨钢桥初始有限元模型；
[0015] 5)基于实测支座位移，采用迭代法初步修正所述步骤4)中得到的大跨钢桥初始有 限元模型的支座水平刚度，具体流程为:首先设定所有桥墳的支座水平刚度初始值均为Ko， 然后通过有限元计算减小结构位移与实测值的差值，得到所有支座的水平刚度为Kp;
[0016] 6)基于均匀溫度场结构响应实测数据对大跨钢桥进行灵敏度分析，具体流程为：
[0017] (6-a)建立误差变量参数化的概率有限元模型：将包括材料线膨胀系数巧x}T、弹 性模量K}T和质量密度{P}T，构件轴向刚度化z}T和活动支座的水平刚度化s}T定义为概率有 限元分析的输入变量，并指定误差变量的变异范围和概率分布类型，将布设位移传感器的 支座位移和布设应变传感器的构件轴向应变定义为概率有限元分析的输出参数；
[0018] (6-b)利用蒙特卡罗模拟技术中拉下超立方抽样法在所述(6-a)指定的输入变量 变异范围内进行N次随机抽样，每完成一次随机抽样就对所述钢桥初始有限元模型进行一 次有限元计算，得到随机输入变量{IV}l=(IVl，IV2，IVx…IVa)和随机输出变量{0V}l = (0Vl，0V2,0Vy???0Vb)之间的线性相关系数矩阵，其中N为抽样次数，a为随机输入变量总数，b 为随机输出变量总数，{IV}i为随机输入变量全集，IVx代表第X个随机输入变量，{0V}i为随 机输出变量全集，OVy代表第y个随机输出变量，X为随机输入变量序号，y为随机输出变量序 号；
[0019] (6-C)将各个随机输入变量IVx与对应的随机输出变量OVy的相关系数平方和的累 加值
由大到小进行排序，其中y为随机输入变量I Vx与随机输出变量OVy的相 关系数，取相关系数累加值大于[Sums]的随机输入参数作为下一步优化分析的随机输入变 量；
[0020] 7)对大跨钢桥初始模型设置T个荷载工况，每个工况分别对结构整体升溫ATave,k 度后，按照W下步骤进行有限元计算，其中k=l，2,3-T:首先采用ANSYS优化模块中的函数 逼近法对目标函数进行优化，再在函数逼近法优化的基础上采用一阶寻优法对目标函数进 行进一步的优化，得到修正后的基于均匀溫度响应监测值的有限元模型，两次优化的目标 函数均为：
[0021]
[0022] 其中m代表布置有应变传感器的总构件数，n代表布置有支座位移传感器的总支座 数，esaiQik)和5。31〇'，1〇分别代表第k时刻第i个构件的应变计算值和第j个支座的位移计 算值，emea(i，k)和Smea(j，k)分别代表第k时刻第i个构件的应变监测值和第j个支座的位移 监测值，C为位移的权重；
[0023] 两次优化的约束条件均包括:支座位移传感器所处支座的位移{d}Tmin《{d}T《{d 和应变传感器所在杆件的轴向应变(SA}Tmin《{SA}T《{SA}Tmax。
[0024] 进一步的，本发明方法中，所述步骤3)中，t时刻所有溫度传感器监测值的标准方 差根据下式计算：
[0025]
[0026] 其中Tave,t为t时刻所有溫度传感器实测数据的平均值，1为溫度传感器总数，Tq,t为 t时刻第q个溫度传感器的实测数据；
[0027] 将溫差最大一天所有时刻不同传感器监测值由绝对值转化为相对值的具体方法 为：将该天溫度传感器监测值标准方差最小时刻的数据作为初始值:溫度为Tave,0位移为 {8〇}1，应变为{>〇}1，其他时刻的数据与所述初始值相减取的结果作为相对值，即溫度差值 ATave,k，及其对应时刻的应变差值emea(i，k)、位移差值Smea(j，k)，其中k=l，2,3…T，i代表 第i个布设应变传感器的构件，j代表第j个布设位移传感器的支座。
[0028] 进一步的，本发明方法中，所述步骤5)中有限元计算的具体流程为：
[0029] (a)根据步骤3)最终得到的均匀溫度场数据对大跨钢桥初始有限元模型设置T个 荷载工况，每个工况分别对结构整体升溫ATave,k度后进行有限元计算，得到第k个工况第j 个支座的位移
[0030] (b)根据下式计算第P步迭代下的支座水平刚度：
[0031]
其中n为布置有支座位移传感器的总支座 数，Kp为第P次迭代时支座的水平刚度，初始时取Ko, Smea(j，k)表示实际监测位移；
[0032] (C)令残I
I判断s《[s]是否成立，若是，则迭代结束，将此时 的Kp作为支座水平刚度;若否，则返回步骤化）。
[0033] 有益效果:本发明与现有技术相比，具有W下优点：
[0034] (1)本发明提出的钢桥有限元模型修正方法充分利用实测溫度与结构响应，输入 输出明确，方法稳定性和鲁棒性好。结构受到的溫度效应是时刻变化的，溫度效应产生的结 构响应也在时刻变化，因此可W通过采用多个时刻的实测数据同时对有限元模型进行修 正，W避免某些时刻数据失真产生的误差，同时也可W采用全年多个时刻的不同溫度场及 其响应结果对修正后的有限元模型进行验证。
[0035] (2)钢桥线膨胀系数大，溫度作用下变化明显，监测精度高。由于噪声的干扰、环境 激励的不充分W及受到环境溫度、湿度、风荷载、交通荷载环境因素等的影响，基于环境激 励的模态测试结构振动响应信号存在复杂而且微弱的缺点，而键击法等人工激励引起桥梁 额外的损伤。钢桥在全年溫度场作用下应变响应和位移响应不仅变化明显，而且其布测方 式不会对结构带来损伤。
[0036] (3)溫度效应参数对传感器等硬件要求较低，数据处理简便，监测方案易于实施。 而基于环境激励的模态测试模型修正方法存在模态参数难W识别的问题，溫度效应采用的 响应参数(支座位移和结构静应变)不仅容易监测，而且与溫度相关性较高。虽然应变监测 值包括静应变和动应变，但是车辆产生的动应变可W利用小波包分解技术很容易的剔除。
[0037] (4)均匀溫度场的获取仅需少量传感器，可操作性强，成本小，从而避免了监测和 模拟大型结构溫度场产生的复杂性。数据处理相对动力测试结果更为简单，对大跨钢桥有 限元模型的修正流程更便于一般工程人员掌握。
[0038] (5)基于模态等动力响应数据往往难W修正局部构件的损伤，而钢桥在全年溫度 场作用下构件的应变和支座的位移变化明显，本修正方法可W针对结构易损位置和桥梁支 座布设监测点，实现对钢桥易损构件轴向刚度和支座水平刚度的精细修正。
[0039] (6)基于溫度灵敏度分析和优化修正的模型更能反映结构时变规律，可为后续结 构健康监测提供依据。当某些构件因环境载荷的影响持续产生损伤累积时，其截面性质和 节点刚度等均可能再次出现偏差，从而引起监测数据与相同溫度场作用下的有限元模型计 算结果出现不同，因此采用修正后的有限元模型可持续评估桥梁结构的安全状况。
【附图说明】
[0040] 图1为本发明方法的流程图。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。
[0042] 1)对大跨钢桥布设溫度传感器和应变、位移传感器：
[0043] 对于拱桥拱顶、拱脚等典型截面处拱肋、吊杆、桥面板及其横纵梁系的各个构件上 均布设溫度传感器，对于斜拉桥索塔、跨中等典型截面处塔身、吊索、桥面板及其横纵梁系 的各个构件上均布设溫度传感器，用于监测大跨钢桥溫度场沿桥梁典型截面高度方向的变 化。此外，在各构件截面布设溫度传感器时，应沿截面高度方向上下端分别布设，用于监测 溫度场沿构件截面方向的变化。
[0044] 对钢桥中易出现诱蚀和损伤的构件、设计数据中受力较大的构件沿截面高度方向 上下端布设应变传感器，对钢桥各支座位置均布设位移传感器。构件截面性质的误差主要 为构件的轴向刚度化z}i。某些构件受到周围环境的影响出现诱蚀问题，也有某些构件在长 期载荷作用下出现局部损伤累积，导致其截面刚度及连接状态等均可能与初始状态产生较 大差别，而轴向应变对构件的溫度响应影响较大，因此在所述构件截面高度方向在上下端 分别布设应变传感器，对监测到的应变取平均值W消除弯曲应变的影响，W获取实际结构 在溫度场作用下的实测轴向应变。边界条件的误差主要为活动支座的水平刚度化s}l。钢桥 采用的橡胶支座或球形支座等均存在一定的水平刚度，但运种大型支座的水平刚度值通常 是未知量，对有限元模型的计算结果带来很大误差，需要在各支座处均布置支座位移传感 器，W获取实际结构在溫度场作用下的实际位移。同时为确保数据的有效性，在同一桥墳的 上下游支座上均需布置支座位移传感器，作为相互校正。此外，由于与支座相连的桥梁弦杆 的受力状态与支座的相关性很大，同时也容易受到海水等周边环境的诱蚀，一般在此类杆 件上应布设应变传感器。
[0045] 2)收集并处理大跨钢桥结构溫度、支座位移和关键构件应变的全年监测数据，传 感器的采样频率一般较高，使得总监测样本容量过大。由于相邻20min内的溫度值变化较 小，可利用每20min内的监测平均值来代表此时段的监测值，因此可计算出每一天的总时刻 数T = 72个。不同传感器的数据处理方式为：
[0046] 对t时刻所有溫度传感器的溫度数据取平均值Tave, t，即
-Tq,t为t时 刻第q个溫度传感器的实测溫度数据，1为溫度传感器总数。
[0047] 应变数据同时包含静应变成分和动应变成分，应剔除其中动应变成分。动应变成 分（即突刺部分)主要由列车荷载引起，每辆列车经过后会产生一个突刺，且动应变成分的 频率要远高于静应变成分的频率，两者差别较大，因此首先利用小波包分解技术剔除所述 应变监测数据中的动应变成分，再对同一截面上的两个应变传感器测得的静应变取平均 值，作为该构件的轴向应变，对同一桥墳上多个支座位移传感器的位移数据取平均值作为 该桥墳的位移。
[004引 3)筛选出全年均匀溫度场天数。全年监测数据属于时变数据，不同时刻结构受到 的溫度效应在不断变化，溫度场对结构的影响主要通过W下=种形式:热福射、热传导和热 对流。大跨钢桥跨度较大，构件种类繁多，结构布局复杂。由于太阳福射角度的变化和构件 间的相互遮挡，同一时刻钢桥不同位置受到的热应力差距非常大，因此在有限元分析中准 确模拟大跨钢桥的溫度效应分布非常困难。为避免复杂溫度场带来的不利影响，在全年的 溫度场数据中应选择阴天、傍晚等热福射较小的时刻，将其作为均匀溫度场。具体做法为：
[0049] ( 3 - a ) t时刻所有溫度传感器实测数据的标准方差计算公式为：
妻中Tave, t为t时刻所有溫度传感器实测数据的平均 值，1为溫度传感器总数，Tq, t为第t时刻第q个溫度传感器的实测数据；
[0050] (3-b)筛选出标准方差累加值Sumi《[Sumi]且风速w《[w]级的日子的传感器监测 值，最终得到均匀溫度场天数的监测数据，即大跨钢桥平均溫度数据{T}T，及对应时刻的结 构位移数据{8}1和应变响应数据{>}1，其中[Sumi]为一天标准方差累加值限值，建议取值为 72,小于该值时运一天的热福射较为均匀，[W]为一天风速等级限值，建议取值为3级，小于 该值时运一天的监测数据不受风速影响；
[0051] (3-C)在均匀溫度场数据{T}T中选取溫差最大的一天，并将运一天所有时刻不同 溫度传感器监测值由绝对值转化为相对值，作为最终的均匀溫度场数据。将该天溫度传感 器监测值标准方差最小时刻的数据作为初始值:溫度为Tave,0,位移为{8。}1，应变为{>。}1，其 他时刻的数据与所述初始值相减取的结果作为相对值，即溫度差值ATave,k，及其对应时刻 的应变差值emea(j，k)、位移差值Smea(j，k)，其中1^=1，2,3-，1'，1代表第1个布设应变传感器 的构件J代表第j个布设位移传感器的支座。
[0052] 4)基于ANSYS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、材料性质建立大跨钢桥初始有限元模型，具体流程为:首先，W大跨钢桥结构节点坐标 建立有限元模型的所有节点，然后，按照设计截面、材料参数W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禪合和约束，得到大跨钢桥初始有限元模型。 对于钢桥中吊杆、纵梁、横梁、巧架等建议采用6自由度梁单元，对于桥面板等建议采用4节 点壳单元，对于桥墳建议采用8节点六面体单元。
[0053] 5)基于实测支座位移采用迭代法初步修正支座水平刚度。桥梁采用的球形支座或 橡胶支座均存在一定的水平刚度，但其数值不易确定，且对有限元计算结果影响很大。为加 快后续优化分析的优化效率，基于实测支座位移，采用迭代法对大跨钢桥的支座水平刚度 进行初步修正，分为W下几个步骤：
[0054] (5-a)根据步骤3)最终得到的均匀溫度场数据对大跨钢桥初始有限元模型设置T 个荷载工况，每个工况分别对结构整体升溫ATave,k度后进行有限元计算，得到第k个工况第 j 个支座的位移 Scal(j，k)，k=i，2,3...T;
[0化引（5-b)根据下式计算第P步迭代下的支座水平刚度：
其中n为支座总数，Kp为第P次迭代时支座的水平刚度，初始时取Ko, Smea (j，k)表示实际监测位移；
[0056] (5-C)令残羞
叫断是否成立，所述k]建议取值为 0.15 X T，认为小于该值时迭代后计算的位移与实测位移较为接近，若是，则迭代结束，将此 时的Kp作为支座水平刚度;若否，则返回步骤(5-b)。采用迭代法对支座水平刚度进行初步 修正后，再在步骤7)优化分析中进行精细修正。
[0057] 6)基于均匀溫度场结构响应实测数据对大跨钢桥进行灵敏度分析。由于边界条件 的误差、构件物理参数的误差和结构连接条件误差等均可能影响初始有限元模型的计算结 果，有必要通过灵敏度分析确定上述误差对计算结果(支座位移和结构应变）的影响程度。 分为W下几个步骤：
[0058] (6-a)建立误差变量参数化的概率有限元模型：将包括材料线膨胀系数巧X}T、弹 性模量K}T和质量密度{p}T，构件轴向刚度化z}T和活动支座的水平刚度化s}T定义为概率有 限元分析的输入变量，并指定误差变量的变异范围和概率分布类型，将布设位移传感器的 支座位移和布设应变传感器的构件轴向应变定义为概率有限元分析的输出参数；
[0059] (6-b)利用蒙特卡罗模拟技术中拉下超立方抽样法在所述(6-a)指定的输入变量 变异范围内进行N次随机抽样，每完成一次随机抽样就对所述钢桥初始有限元模型进行一 次有限元计算，得到随机输入变量{IV}l=(IVl，IV2，IVx…IVa)和随机输出变量{0V}l = (0Vl，0V2,0Vy???0Vb)之间的线性相关系数矩阵，其中N为抽样次数，a为随机输入变量总数，b 为随机输出变量总数，{IV}1为随机输入变量全集，IVx代表第X个随机输入变量，{0V}1为随 机输出变量全集，OVy代表第y个随机输出变量，X为随机输入变量序号，y为随机输出变量序 号；
[0060] (6-C)将各个随机输入变量IVx与对应的随机输出变量OVy的相关系数平方和的累 加值
自大到小进行排序，其中y为随机输入变量I Vx与随机输出变量OVy的相 关系数，取相关系数累加值大于[Sums]的随机输入参数作为下一步优化分析的随机输入变 量，所述[Smm ]由工程设计人员根据工程实践中选取的随机输入变量数a和随机输出变量 数b进行设定，当I rx,y I越接近1，说明两变量的相关性越高。
[0061] 7)通过缩小计算结果与实测数据的差值对大跨钢桥有限元模型进行优化。当设计 变量较多时，如果设计初值离最优值的差距较大，直接使用ANSYS优化模块中的一阶寻优法 耗时会很长，还有可能不收敛得不到最优解，但得到的优化曲线较为光滑，其一次迭代等价 于多次循环分析，精度较高。函数逼近法获得的优化结果比较离散，对于较多的设计变量， 其得到的优化结果经常不能满足所有的约束条件.因此一般先采用函数逼近法对目标函数 进行优化，再在函数逼近法优化结果的基础上，采用一阶寻优法进一步优化，使目标函数优 化到最小，对大跨钢桥初始模型设置T个荷载工况，每个工况分别对结构整体升溫ATave,k度 后，按照W下步骤进行有限元计算，其中k=l，2,3-T:首先采用ANSYS优化模块中的函数逼 近法对目标函数进行优化，再在函数逼近法优化的基础上采用一阶寻优法对目标函数进行 进一步的优化，得到修正后的基于均匀溫度响应监测值的有限元模型，两次优化的目标函 数均为：
[0062]
[0063] 其中m代表布置有应变传感器的总构件数，n代表布置有支座位移传感器的总支座 数，esaiQik)和5。31〇'，1〇分别代表第k时刻第i个构件的应变计算值和第j个支座的位移计 算值，emea(i，k)和Smea(j，k)分别代表第k时刻第i个构件的应变监测值和第j个支座的位移 监测值，C作为位移的权重。
[0064] 两次优化的约束条件均包括:支座位移传感器所处支座的位移{d}Tmin《{d}T《{d Tmax和应变传感器所在杆件的轴向应变{SA}Tmin《{SA}T《{SA}Tmax，根据监测结果将状态变 量的限值定义在正常范围W内。
[0065] 8)采用其他均匀溫度场时刻的实测数据对修正后的有限元模型进行验证。由于全 年的溫度场在不断变化，因此可采用不同时刻的溫度场对修正后的有限元模型进行分析， 将计算结果与对应的响应监测值对比，W验证大跨钢桥有限元模型的正确性。
[0066] 具体流程为：
[0067] (8-a)在均匀溫度场天数中选取一天用于验证，初始时刻选取一天中溫度传感器 监测值标准方差最小的时刻，其他时刻的数据与初始值相减取相对值，得到溫度差值A T' ave, k，及其对应时刻的应变差值e ' mea ( j，k)、位移差值S' mea ( j，k )，k = i，2，3…T'，i代表第i 个布设应变传感器的构件，j代表第j个布设位移传感器的支座，为该天的总时刻数；
[0068] (8-b)采用步骤7)建立的修正后有限元模型，对大跨钢桥初始模型设置r个荷载 工况，每个工况分别对结构整体升溫Ar ave,k度后进行有限元计算，第k个工况计算值与实 测值的残差为：
[0069]
[0070] 其中m代表布置有应变传感器的总构件数，n代表布置有支座位移传感器的总支座 数，e/。31 (i，k)和。31 (j，k)分别代表第k时刻第i个构件的应变计算值和第j个支座的位移 计算值。
[0071] 上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可W做出若干改进和等同替换，运些对本发明 权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种大跨钢桥基于均匀温度响应监测值的有限元模型修正方法，其特征在于，该方 法包括以下步骤： 1) 根据建立大跨钢桥有限元模型时存在的边界条件误差、构件截面性质误差、材料性 质的误差和结构连接条件失真确定大跨钢桥温度传感器和应变、位移传感器的布测位置； 2) 收集并处理大跨钢桥的温度传感器数据、应变传感器数据和位移传感器数据，数据 处理的具体方法为： 对t时刻所有温度传感器的温度数据取平均值Tave,t，S丨t为t时刻第q 个温度传感器的实测温度数据，1为温度传感器总数； 利用小波包分解技术剔除应变监测数据中的动应变成分，再对同一截面上的两个应变 传感器测得的静应变取平均值，作为该构件的轴向应变； 对同一桥墩上多个支座位移传感器的位移数据取平均值作为该桥墩的位移； 3) 首先计算同一时刻所有温度传感器监测值的标准方差，对同一天所有时刻不同温度 传感器监测值的标准方差进行累加，筛选出标准方差累加值Sunu彡[Smm]且风速w彡[w]级 的日子的传感器监测值，最终得到温度场均匀的日子的监测数据，即均匀温度场数据{Τ} τ， 及对应时刻的结构位移数据{δ}、Ρ应变响应数据{ε}τ，最后在均匀温度场数据{Τ} τ中选取 温差最大的一天，并将这一天所有时刻不同传感器监测值由绝对值转化为相对值，作为最 终的均匀温度场数据，其中[Sunu]为一天标准方差累加值限值，[w]为一天风速等级限值， 这一天中的总时刻数为T; 4) 基于ANSYS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 料性质建立大跨钢桥初始有限元模型，具体流程为:首先，以大跨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，得到大跨钢桥初始有限元模型； 5) 基于实测支座位移，采用迭代法初步修正所述步骤4)中得到的大跨钢桥初始有限元 模型的支座水平刚度，具体流程为:首先设定所有桥墩的支座水平刚度初始值均为Κο,然后 通过有限元计算减小结构位移与实测值的差值，得到所有支座的水平刚度为K P; 6) 基于均匀温度场结构响应实测数据对大跨钢桥进行灵敏度分析，具体流程为： (6-a)建立误差变量参数化的概率有限元模型:将包括材料线膨胀系数{ΕΧ}Τ、弹性模量 {Ε}τ和质量密度{ρ}τ，构件轴向刚度{KZ}WP活动支座的水平刚度{K S}T定义为概率有限元分 析的输入变量，并指定误差变量的变异范围和概率分布类型，将布设位移传感器的支座位 移和布设应变传感器的构件轴向应变定义为概率有限元分析的输出参数； (6-b)利用蒙特卡罗模拟技术中拉丁超立方抽样法在所述(6-a)指定的输入变量变异 范围内进行N次随机抽样，每完成一次随机抽样就对所述钢桥初始有限元模型进行一次有 限元计算，得到随机输入变量{1￥}7=(1￥ 1，1￥2，^...^)和随机输出变量{0￥}7=(0￥1， 0V 2，0Vy. . .OVb)之间的线性相关系数矩阵，其中N为抽样次数，a为随机输入变量总数，b为随 机输出变量总数，{IV}TS随机输入变量全集，IV X代表第X个随机输入变量，{〇V}TS随机输 出变量全集，〇Vy代表第y个随机输出变量，X为随机输入变量序号，y为随机输出变量序号； (6-c)将各个随机输入变量IVX与对应的随机输出变量0Vy的相关系数平方和的累加值由大到小进行排序，其中rx,y*随机输入变量IV X与随机输出变量0Vy的相关系 数，取相关系数累加值大于[Sum2]的随机输入参数作为下一步优化分析的随机输入变量； 7)对大跨钢桥初始模型设置T个荷载工况，每个工况分别对结构整体升温△ Tare,k度后， 按照以下步骤进行有限元计算，其中1?=1，2,3···Τ:首先采用ANSYS优化模块中的函数逼近 法对目标函数进行优化，再在函数逼近法优化的基础上采用一阶寻优法对目标函数进行进 一步的优化，得到修正后的基于均匀温度响应监测值的有限元模型，两次优化的目标函数 均为：其中m代表布置有应变传感器的总构件数，η代表布置有支座位移传感器的总支座数， ￡。31(11〇和3。31〇，1〇分别代表第1^时刻第1个构件的应变计算值和第」个支座的位移计算 值，￡*^(1，1〇和3_ 3〇，1〇分别代表第1^时刻第1个构件的应变监测值和第」个支座的位移监 测值，c为位移的权重； 两次优化的约束条件均包括:支座位移传感器所处支座的位移{d}Tmin<{d}T<{d} Tmax 和应变传感器所在杆件的轴向应变{SA}Tmin< {SA}T< {SA}Tmax。2. 根据权利要求1所述的大跨钢桥基于均匀温度响应监测值的有限元模型修正方法， 其特征在于，所述步骤3)中，t时刻所有温度传感器监测值的标准方差根据下式计算：其中Tave,々t时刻所有温度传感器实测数据的平均值，1为温度传感器总数，Tq,t*t时 刻第q个温度传感器的实测数据； 将温差最大一天所有时刻不同传感器监测值由绝对值转化为相对值的具体方法为:将 该天温度传感器监测值标准方差最小时刻的数据作为初始值:温度为Tave,o,位移为{δ0} τ， 应变为{εοΓ，其他时刻的数据与所述初始值相减取的结果作为相对值，即温度差值A Tave,k，及其对应时刻的应变差值e mea(i，k)、位移差值Smea(j，k)，其中k=l，2,3. . .T，i代表第 i个布设应变传感器的构件，j代表第j个布设位移传感器的支座。3. 根据权利要求1或2所述的大跨钢桥基于均匀温度响应监测值的有限元模型修正方 法，其特征在于，所述步骤5)中有限元计算的具体流程为： (a) 根据步骤3)最终得到的均匀温度场数据对大跨钢桥初始有限元模型设置T个荷载 工况，每个工况分别对结构整体升温度后进行有限元计算，得到第k个工况第j个支 座的位移 δΜ?(_]·，1〇Λ=1，2,3···Τ; (b) 根据下式计算第ρ步迭代下的支座水平刚度：?，其中η为布置有支座位移传感器的总支座数， ΚΡ为第ρ次迭代时支座的水平刚度，初始时取1(〇,3_〇，1〇表示实际监测位移； (C)令残差是否成立，若是，则迭代结束，将此时的KP 作为支座水平刚度;若否，则返回步骤(b)。
【文档编号】G06F17/50GK105956216SQ201610235293
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月15日
【发明人】周臻, 黄小刚, 丁幼亮, 朱冬平
【申请人】东南大学