基于地震风险评估的公路桥梁抗震性能分析系统及方法与流程

本发明涉及性能分析，具体为基于地震风险评估的公路桥梁抗震性能分析系统及方法。

背景技术：

1、随着全球地震活动的频发以及城市基础设施的不断扩展，公路桥梁的抗震性能成为了一个至关重要的研究领域；传统的桥梁抗震设计方法主要基于结构力学模型和有限元分析，通过对桥梁结构的几何形态和材料特性进行分析来评估其抗震能力；然而，这些方法在实际应用中存在诸多局限性，特别是面对地震时的复杂性和不确定性，传统方法难以提供精确的风险评估结果；近年来，随着大数据和传感器技术的发展，越来越多的研究开始关注基于数据驱动的抗震性能分析方法，通过收集和分析大量的地震数据和桥梁结构数据，提出了一系列新的评估模型；然而，这些方法通常仅关注某一方面的因素，未能充分结合地震历史数据与实时监测数据，从而难以全面评估桥梁在实际地震环境中的抗震性能。

2、现有的相关技术在抗震性能评估方面主要存在以下不足之处。首先，现有的抗震性能评估方法大多依赖于静态的结构力学分析，未能充分考虑地震活动的动态特性以及历史地震数据的影响，导致评估结果缺乏时效性和准确性；其次，尽管一些方法开始利用地面传感器收集地震数据，但其评估模型多局限于数据的简单分析，未能有效地结合历史地震数据进行综合分析，导致其对未来地震事件的风险预测能力有限；此外，现有的抗震性能评估方法往往缺乏对桥梁结构实际状态的实时监测，尤其是在老旧桥梁的抗震性能评估方面，未能充分考虑材料老化、使用年限等因素对抗震能力的影响；这些不足之处在实际应用中可能导致桥梁抗震性能评估的准确性和可靠性不足，从而无法有效保障桥梁在地震中的安全性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于地震风险评估的公路桥梁抗震性能分析系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

3、基于地震风险评估的公路桥梁抗震性能分析方法，本方法包括以下步骤：收集城市内的所有公路桥梁，建立公路桥梁数据集，并对所述城市内的所有公路桥梁进行区域划分；在所述区域内安装地面传感器，构建地面传感器集合；收集地面传感器检测的地震数据，并构建地震数据集；获取过去n次地震时产生的历史地震数据；基于地面传感器检测的地震数据和过去第n次地震时地面传感器检测的历史地震数据，计算区域的地震风险指数；基于所述地震风险指数，计算公路桥梁的抗震性能指数；基于公路桥梁的抗震性能指数，计算区域的平均抗震性能指数，并构建低抗震性能公路桥梁集合。

4、作为本发明所述基于地震风险评估的公路桥梁抗震性能分析方法的一种优选方案，收集城市内的所有公路桥梁，建立公路桥梁数据集，其中，表示第a个公路桥梁，a表示公路桥梁总数；对所述城市内的所有公路桥梁进行区域划分，其中，一个区域至少包含一个公路桥梁，对所述区域进行统一的编号，记为，其中，表示第b个区域，b表示区域总数。

5、在所述区域内安装地面传感器，其中，一个区域安装一个地面传感器，构建地面传感器集合，其中，表示第b个区域的地面传感器；所述地面传感器用于检测地震时产生的地震数据，所述地震数据为地震的震动频率。

6、作为本发明所述基于地震风险评估的公路桥梁抗震性能分析方法的一种优选方案，收集地面传感器检测的地震数据，构建地震数据集，其中，表示地面传感器检测的地震数据。

7、获取过去n次地震时产生的历史地震数据，记为，其中，表示过去第n次地震时地面传感器检测的历史地震数据。

8、作为本发明所述基于地震风险评估的公路桥梁抗震性能分析方法的一种优选方案，基于所述地面传感器检测的地震数据和所述过去第n次地震时地面传感器检测的历史地震数据，计算区域的地震风险指数，计算公式如下：

9、；

10、；

11、；

12、；

13、其中，表示区域的地震风险指数，表示历史地震数据的均值，表示历史地震数据的标准差，表示过去n次地震时产生的最大历史地震数据，和为预设的风险因子。

14、在本发明中，公式前半段将地震数据与历史地震数据的均值进行对比，并通过标准差进行标准化，这是为了评估当前地震相对于历史地震事件的偏离程度，如果当前地震值远高于历史均值，并且超出了标准差的范围，则意味着当前地震事件可能更具风险；公式后半段是为了检测地震数据是否超越了过去n次地震时产生的最大历史地震数据，如果地震数据超过了最大历史地震数据，则这一部分的值为正，并反映出额外的风险，如果地震数据没有超出最大历史地震数据，则该部分为零，不增加风险。

15、基于所述区域的地震风险指数，计算公路桥梁的抗震性能指数，计算公式如下：

16、；

17、；

18、其中，表示区域内的第a个公路桥梁的抗震性能指数，和为预设的权重系数，表示公路桥梁的结构强度评分，、和为预设的因子，表示公路桥梁的类型评分，表示公路桥梁的使用年限评分，表示公路桥梁的建造材料评分。

19、在本发明中，是将风险指数与抗震性能进行负相关关联，当风险指数较高时，意味着地震会对桥梁构成较高的风险，那么就较低，意味着抗震性能就较低，结构强度评分反映了桥梁本身的抗震能力，考虑了桥梁的设计类型、使用年限以及材料特性，不同类型的桥梁由于设计的不同，抗震性能也会有所差异，比如梁式桥、拱桥、斜拉桥等，老旧桥梁可能会因材料老化而降低抗震性能，而不同的建造材料其抗震能力也不一样。

20、作为本发明所述基于地震风险评估的公路桥梁抗震性能分析方法的一种优选方案，基于所述公路桥梁的抗震性能指数，计算区域的平均抗震性能指数，计算公式如下：

21、；

22、其中，表示区域的平均抗震性能指数，g表示区域内的所有公路桥梁数量。

23、构建低抗震性能公路桥梁集合，记为，若公路桥梁的抗震性能指数小于区域的平均抗震性能指数，则判定公路桥梁的抗震性能低于区域平均水平，则将公路桥梁加入低抗震性能公路桥梁集合。

24、基于地震风险评估的公路桥梁抗震性能分析系统，本系统包括：桥梁数据模块、传感器数据模块、风险评估模块和抗震分析模块。

25、所述桥梁数据模块，用于收集并组织城市内所有公路桥梁的数据，同时将桥梁按区域划分并进行编号。

26、所述传感器数据模块，在各个区域安装地面传感器，并实时收集地震数据。

27、所述风险评估模块，基于地面传感器收集的地震数据，计算每个区域的地震风险指数和每座桥梁的抗震性能指数。

28、所述抗震分析模块，计算各区域的平均抗震性能指数，并识别抗震性能低于平均水平的公路桥梁。

29、进一步的，所述桥梁数据模块还包括数据集建立单元和传感器安装单元。

30、所述数据集建立单元，收集城市内的所有公路桥梁，建立公路桥梁数据集，其中，表示第a个公路桥梁，a表示公路桥梁总数；对所述城市内的所有公路桥梁进行区域划分，其中，一个区域至少包含一个公路桥梁，对所述区域进行统一的编号，记为，其中，表示第b个区域，b表示区域总数。

31、所述传感器安装单元，在所述区域内安装地面传感器，其中，一个区域安装一个地面传感器，构建地面传感器集合，其中，表示第b个区域的地面传感器；所述地面传感器用于检测地震时产生的地震数据，所述地震数据为地震的震动频率。

32、进一步的，所述传感器数据模块还包括数据收集单元和历史数据收集单元。

33、所述数据收集单元，收集地面传感器检测的地震数据，构建地震数据集，其中，表示地面传感器检测的地震数据。

34、所述历史数据收集单元，获取过去n次地震时产生的历史地震数据，记为，其中，表示过去第n次地震时地面传感器检测的历史地震数据。

35、进一步的，所述风险评估模块还包括风险指数计算单元和抗震指数计算单元。

36、所述风险指数计算单元，基于所述地面传感器检测的地震数据和所述过去第n次地震时地面传感器检测的历史地震数据，计算区域的地震风险指数。

37、所述抗震指数计算单元，基于所述区域的地震风险指数，计算公路桥梁的抗震性能指数。

38、进一步的，所述抗震分析模块还包括平均指数计算单元和低抗震桥梁识别单元。

39、所述平均指数计算单元，基于所述公路桥梁的抗震性能指数，计算区域的平均抗震性能指数。

40、所述低抗震桥梁识别单元，构建低抗震性能公路桥梁集合，记为，若公路桥梁的抗震性能指数小于区域的平均抗震性能指数，则判定公路桥梁的抗震性能低于区域平均水平，则将公路桥梁加入低抗震性能公路桥梁集合。

41、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：通过全面收集城市公路桥梁的数据信息，并结合区域划分和地面传感器的实时监测，确保了地震数据的全面性和精准性；通过整合实时地震数据与历史数据，对区域的地震风险进行量化评估，并结合桥梁的结构特点，科学地计算出桥梁的抗震性能指数；进一步地，通过计算区域的平均抗震性能指数，识别并分类出抗震性能较弱的桥梁，提供了有针对性的改造方案。整体而言，该发明能够系统性地提升公路桥梁的抗震设计和维护水平，有效减少地震灾害的潜在风险，保障公共安全。