基于非均勻溫度響應監(jiān)測值的鋼橋有限元模型修正方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于非均勻溫度響應監(jiān)測值的鋼橋有限元模型修正方法，包括以下主要步驟：1)對鋼橋全年監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，找出非均勻溫度場作用下結構的響應規(guī)律2)根據(jù)設計數(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)基于鋼橋溫度響應數(shù)據(jù)對鋼橋進行靈敏度分析，確定與實測數(shù)據(jù)相關系數(shù)較高的設計變量5)通過縮小有限元計算結果與實測數(shù)據(jù)的差值對鋼橋有限元模型進行優(yōu)化分析。該方法與普遍采用的基于試驗模態(tài)數(shù)據(jù)等動力響應結果的有限元模型修正方法相比，具有簡單準確，費用較低，安全性好的優(yōu)點。
【專利說明】
基于非均勻溫度響應監(jiān)測值的鋼橋有限元模型修正方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于±木工程數(shù)值模擬分析領域，設及一種基于非均勻溫度響應監(jiān)測值的 鋼橋有限元模型修正方法。
【背景技術】
[0002] 隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國的大型橋梁建設速度迅猛。鋼橋因跨越能力強、施 工速度快等被廣泛應用于度橋梁，在當?shù)氐沫h(huán)境、經(jīng)濟和社會生活中扮演著關鍵的角色。鋼 橋跨度較大，構件種類繁多，結構布局復雜。因環(huán)境載荷作用、疲勞效應和材料老化等不利 因素的影響，橋梁在長期的使用過程中將不可避免地出現(xiàn)各種缺陷，導致結構局部關鍵構 件損傷累積。如果結構的剛度和承載力下降等現(xiàn)象不能及時被發(fā)現(xiàn)，并得到及時的維修，不 僅會影響結構的正常使用，甚至有可能會發(fā)生突然破壞或倒塌等災難性事故。
[0003] 通過有限元數(shù)值模擬技術建立度橋梁有限元模型是合理預測橋梁安全性、耐久性 和抗震性能等較為普遍的方法。但由于橋梁在長期使用中出現(xiàn)的各種缺陷，使得根據(jù)設計 數(shù)據(jù)建立的有限元模型與結構存在著邊界條件、材料和截面參數(shù)、質量和荷載分布等誤差， 因此有限元模型難W準確地反映結構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)測系統(tǒng)的響應監(jiān)測值對有限元模型進行修正，W便于通過修正后的有限元模型對橋梁 進行進一步的安全評估。
[0004] 目前普遍采用試驗模態(tài)數(shù)據(jù)等動力響應結果對鋼橋進行有限元模型的修正，近年 來廣泛采用的基于環(huán)境激勵的模態(tài)測試雖然安全性好，并且不影響橋梁的正常使用，但也 存在很多不足:1)環(huán)境激勵存在未知輸入，例如包含各種噪聲干擾;2)模態(tài)參數(shù)識別基于模 態(tài)理論假設;3)無法確定結構的局部響應;4)精確的模態(tài)參數(shù)識別要求較高，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] 鋼橋溫度場對結構的影響主要通過W下=種形式:熱福射、熱傳導和熱對流。由于 太陽福射角度的變化和構件間的相互遮擋，鋼橋全年大部分時刻主要受到復雜溫度場的影 響，由于溫度作用下的結構應變和位移響應會比較明顯，因此本發(fā)明提出基于非均勻溫度 響應監(jiān)測值的鋼橋有限元模型修正方法，該方法簡單準確，費用較低，安全性好。

【發(fā)明內容】

[0006] 技術問題:本發(fā)明提供一種簡單準確、成本較低、安全性好的基于非均勻溫度響應 監(jiān)測值的鋼橋有限元模型修正方法。
[0007] 技術方案:本發(fā)明的基于非均勻溫度響應監(jiān)測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存在的邊界條件誤差、構件截面性質誤差、材 料性質的誤差和結構連接條件失真確定鋼橋溫度傳感器和應變、位移傳感器的布測位置；
[0009] 2)收集并處理鋼橋的溫度傳感器數(shù)據(jù)、應變傳感器數(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剔除應變監(jiān)測數(shù)據(jù)中的動應變成分，再對同一截 面上的兩個應變傳感器測得的靜應變取平均值，作為該構件的軸向應變;對同一橋墳上多 個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，按照設計數(shù)據(jù)中的結構幾何尺寸、構件截面與位 置、材料性質建立鋼橋初始有限元模型，具體流程為:首先，W鋼橋結構節(jié)點坐標建立有限 元模型的所有節(jié)點;然后，按照設計截面、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)約束條件對節(jié)點施加禪合和約束，得到鋼橋初始有限元模型；
[0011] 4)首先篩選出風速w《[w]級的日子的傳感器監(jiān)測值，即鋼橋平均溫度數(shù)據(jù){T}T， 及對應時刻的結構位移數(shù)據(jù){S}T和應變響應數(shù)據(jù){>}T，最后在篩選出的日子中選取溫差最 大的一天，并將運一天所有時刻溫度、應變和位移傳感器監(jiān)測值由絕對值轉化為相對值，并 根據(jù)溫度傳感器監(jiān)測值，通過線性差值得到未布設溫度傳感器處的構件溫度值，作為最終 的溫度場數(shù)據(jù)，其中，[W]為一天風速等級限值，運一天中的總時刻數(shù)為T;
[0012] 5)基于實測支座位移，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:首先設定所有橋墳的支座水平剛度初始值均為Ko，然后 通過有限元計算減小結構位移與實測值的差值，得到所有支座的水平剛度為Kp;
[0013] 6)對鋼橋初始有限元模型進行靈敏度分析，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：將包括材料線膨脹系數(shù)巧X}T、彈 性模量K}T和質量密度{p}T，構件軸向剛度化z}T和活動支座的水平剛度化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型，將布設位移傳感器的 支座位移和布設應變傳感器的構件軸向應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 變異范圍內進行N次隨機抽樣，每完成一次隨機抽樣就對所述鋼橋初始有限元模型進行一 次有限元計算，得到隨機輸入變量{IV}T=(IVi，IV2，IVx. . .IVa)和隨機輸出變量{0V}T = (OVi，0V2，OVy... OVb)之間的線性相關系數(shù)矩陣，其中N為抽樣次數(shù)，a為隨機輸入變量當數(shù)， b為隨機輸出變量總數(shù)，{IV}T為隨機輸入變量全集，IVx代表第X個隨機輸入變量，{0V}T為隨 機輸出變量全集，OVy代表第y個隨機輸出變量，X為隨機輸入變量序號，y為隨機輸出變量序 號；
[0016] (6-C)將隨機輸入變量IVx與對應的隨機輸出變量OVy的相關系數(shù)平方和的累加值
由大到小進行排序，其中y為隨機輸入變量I Vx與隨機輸出變量OVy的相關系 數(shù)，取相關系數(shù)累加值大于[Sum]的隨機輸入?yún)?shù)作為下一步優(yōu)化分析的隨機輸入變量；
[0017] 7)根據(jù)步驟4)最終得到的溫度場數(shù)據(jù)對鋼橋初始有限元模型設置的T個荷載工況 分別施加溫度荷載，然后按照W下步驟進行有限元計算:首先采用ANSYS優(yōu)化模塊中的函數(shù) 逼近法對目標函數(shù)進行優(yōu)化，再在函數(shù)逼近法優(yōu)化的基礎上采用一階尋優(yōu)法對目標函數(shù)進 行進一步的優(yōu)化，得到修正后的基于非均勻溫度響應監(jiān)測值的有限元模型，兩次優(yōu)化的目 標函數(shù)均為：
[001 引
[0019]其中m代表布置有應變傳感器的總構件數(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時刻第i個構件的應變計算值和第j個支座的位移計算 值，emea(i，k)和Smea(j，k)分別代表第k時刻第i個構件的應變監(jiān)測值和第j個支座的位移監(jiān) 測值，C為位移的權重；
[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xv3r9jzsqgTmin《xv3r9jzsqgT《xv3r9jzsqgTmax 和應變傳感器所在桿件的軸向應變{SA}Tmin《 {Sa}T《 {SA}Tmax。
[0021] 進一步的，本發(fā)明方法中，所述步驟4)中將溫差最大一天所有時刻不同傳感器監(jiān) 測值由絕對值轉化為相對值的具體方法為:將該天溫度傳感器監(jiān)測值標準方差最小時刻的 數(shù)據(jù)作為初始值:溫度為{T}T，位移為{S〇}T，應變?yōu)閧>〇}T，其他時刻的數(shù)據(jù)與所述初始值相 減取的結果作為相對值，即溫度差值A化,k，及其對應時刻的應變差值EmeaQ，k)、位移差值 5mea( j，k)，其中k=l，2,3... T，h代表第h個布設溫度傳感器的構件，i代表第i個布設應變傳 感器的構件，j代表第j個布設位移傳感器的支座；
[0022] 所述根據(jù)溫度傳感器監(jiān)測值，通過線性差值得到未布設溫度傳感器處的構件溫度 值的具體方法為:通過兩個布設溫度傳感器的截面溫度值，按所在高度線性差值得到未布 設溫度傳感器的截面溫度分布，通過截面上下端溫度值線性差值得到沿截面高度方向的溫 度。
[0023] 進一步的，本發(fā)明方法中，所述步驟5)中有限元計算的具體流程為：
[0024] (a)根據(jù)步驟4)最終得到的溫度場數(shù)據(jù)對鋼橋初始有限元模型設置T個荷載工況 分別施加溫度荷載，得到第k個工況第j個支座的位移5。31( j，k)，k= 1，2，3--T;
[0025] (b)根據(jù)下式計算第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次迭代時支座的水平剛度，初始時取Ko, Smea(j，k)表示實際監(jiān)測位移；
[0027] (C)令殘差
判斷s《[s]是否成立，若是，則迭代結束，將此 時的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)有技術相比，具有W下優(yōu)點：
[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測溫度與結構響應，輸入 輸出明確，方法穩(wěn)定性和魯棒性好。結構受到的溫度效應是時刻變化的，溫度效應產生的結 構響應也在時刻變化，因此可W通過采用多個時刻的實測數(shù)據(jù)同時對有限元模型進行修 正，W避免某些時刻數(shù)據(jù)失真產生的誤差，同時也可W采用全年多個時刻的不同溫度場及 其響應結果對修正后的有限元模型進行驗證。
[0030] (2)鋼橋線膨脹系數(shù)大，溫度作用下變化明顯，監(jiān)測精度高。由于噪聲的干擾、環(huán)境 激勵的不充分W及受到環(huán)境溫度、濕度、風荷載、交通荷載環(huán)境因素等的影響，基于環(huán)境激 勵的模態(tài)測試結構振動響應信號存在復雜而且微弱的缺點，而鍵擊法等人工激勵引起橋梁 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，結構的應變響 應和位移響應不僅變化明顯，其布測方式也不會對結構帶來損傷。
[0031] (3)溫度效應參數(shù)對傳感器等硬件要求較低，數(shù)據(jù)處理簡便，監(jiān)測方案易于實施。 而基于環(huán)境激勵的模態(tài)測試模型修正方法存在模態(tài)參數(shù)難W識別的問題，溫度效應采用的 響應參數(shù)(支座位移和結構靜應變)不僅容易監(jiān)測，而且與溫度相關性較高。雖然應變監(jiān)測 值包括靜應變和動應變，但是車輛產生的動應變可W利用小波包分解技術很容易的剔除。
[0032] (4)基于模態(tài)等動力響應數(shù)據(jù)往往難W修正局部構件的損傷，而鋼橋在全年溫度 場作用下構件的應變和支座的位移變化明顯，本修正方法可W針對結構易損位置和橋梁支 座布設監(jiān)測點，實現(xiàn)對鋼橋易損構件軸向剛度和支座水平剛度的精細修正。
[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構時變規(guī)律，可為后續(xù)結 構健康監(jiān)測提供依據(jù)。當某些構件因環(huán)境載荷的影響持續(xù)產生損傷累積時，其截面性質和 節(jié)點剛度等均可能再次出現(xiàn)偏差，從而引起監(jiān)測數(shù)據(jù)與相同溫度場作用下的有限元模型計 算結果出現(xiàn)不同，因此采用修正后的有限元模型可持續(xù)評估橋梁結構的安全狀況。
【附圖說明】
[0034] 圖1為本發(fā)明方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0035] 下面結合說明書附圖對本發(fā)明進行詳細說明。
[0036] 對鋼橋布設溫度傳感器和應變、位移傳感器：
[0037] 由于鋼橋沿順橋向溫度變化差異較小，溫度傳感器應重點在鋼橋橫截面沿結構高 度方向不同構件上進行布設，如對于拱橋拱頂、拱腳等典型截面處拱肋、吊桿、橋面板及其 橫縱梁系的各個構件上均布設溫度傳感器，對于斜拉橋索塔、跨中等典型截面處塔身、吊 索、橋面板及其橫縱梁系的各個構件上均布設溫度傳感器，用于監(jiān)測鋼橋溫度場沿橋梁典 型截面高度方向的變化。此外，在各構件截面布設溫度傳感器時，應沿截面高度方向上下端 分別布設，用于監(jiān)測溫度場沿構件截面方向的變化。
[0038] 對鋼橋中易出現(xiàn)誘蝕和損傷的構件、設計數(shù)據(jù)中受力較大的構件沿截面高度方向 上下端布設應變傳感器，對鋼橋各支座位置均布設位移傳感器。構件截面性質的誤差主要 為構件的軸向剛度化z}T。某些構件受到周圍環(huán)境的影響出現(xiàn)誘蝕問題，也有某些構件在長 期載荷作用下出現(xiàn)局部損傷累積，導致其截面剛度及連接狀態(tài)等均可能與初始狀態(tài)產生較 大差別，而軸向應變對構件的溫度響應影響較大，因此在所述構件截面高度方向在上下端 分別布設應變傳感器，對監(jiān)測到的應變取平均值W消除彎曲應變的影響，W獲取實際結構 在溫度場作用下的實測軸向應變。邊界條件的誤差主要為活動支座的水平剛度化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，但運種大型支座的水平剛度值通常 是未知量，對有限元模型的計算結果帶來很大誤差，需要在各支座處均布置位移傳感器，W 獲取實際結構在溫度場作用下的實際位移。同時為確保數(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)與支座的相關性很大，同時也容易受到海水等周邊環(huán)境的誘蝕，一般在此類桿件上應布 設應變傳感器。
[0039] 2)收集并處理鋼橋結構溫度、支座位移和關鍵構件應變的全年監(jiān)測數(shù)據(jù)，傳感器 的采樣頻率一般較高，使得總監(jiān)測樣本容量過大。由于相鄰20min內的溫度值變化較小，可 利用每20min內的監(jiān)測平均值來代表此時段的監(jiān)測值，因此可計算出每一天的總時刻數(shù)T = 72個。不同傳感器的數(shù)據(jù)處理方式為:應變數(shù)據(jù)同時包含靜應變成分和動應變成分，應剔除 其中動應變成分。動應變成分（即突刺部分)主要由列車荷載引起，每輛列車經(jīng)過后會產生 一個突刺，且動應變成分的頻率要遠高于靜應變成分的頻率，兩者差別較大，因此首先利用 小波包分解技術剔除所述應變監(jiān)測數(shù)據(jù)中的動應變成分，再對同一截面上的兩個應變傳感 器測得的靜應變取平均值，作為該構件的軸向應變，對同一橋墳上多個位移傳感器的位移 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，按照設計數(shù)據(jù)中的結構幾何尺寸、構件截面與位 置、材料性質建立鋼橋初始有限元模型，具體流程為:首先，W鋼橋結構節(jié)點坐標建立有限 元模型的所有節(jié)點，然后，按照設計截面、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)約束條件對節(jié)點施加禪合和約束，得到鋼橋初始有限元模型。對于鋼橋中吊 桿、縱梁、橫梁、巧架等建議采用6自由度梁單元，對于橋面板等建議采用4節(jié)點殼單元，對于 橋墳建議采用8節(jié)點六面體單元。
[0041] 4)首先篩選出風速w《[w]級的日子的傳感器監(jiān)測值，[W]為一天風速等級限值，即 鋼橋平均溫度數(shù)據(jù){T}T，及對應時刻的結構位移數(shù)據(jù){S}T和應變響應數(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)測值標準方差最小時刻的數(shù)據(jù)作為 初始值:溫度為{T}T，位移為{Sq}T，應變?yōu)閧>q}T，其他時刻的數(shù)據(jù)與所述初始值相減取的結 果作為相對值，即溫度差值A化,k，及其對應時刻的應變差值EmeaQ，k)、位移差值Smea( j，k)， 根據(jù)溫度傳感器監(jiān)測值，按所在高度線性差值得到未布設溫度傳感器的截面溫度分布，通 過截面上下端溫度值線性差值得到沿截面高度方向的溫度，其中，運一天中的總時刻數(shù)為 T，k= 1，2，3. . . T，h代表第h個布設溫度傳感器的構件，i代表第i個布設應變傳感器的構件， j代表第j個布設位移傳感器的支座。
[0042] 5)基于實測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，且對有限元計算結果影響很大。為加快 后續(xù)優(yōu)化分析的優(yōu)化效率，基于實測支座位移，采用迭代法對鋼橋的支座水平剛度進行初步 修正，分為W下幾個步驟：（5-a)根據(jù)步驟4)得到的鋼橋溫度數(shù)據(jù)對大跨鋼橋初始有限元模 型設置T個荷載工況施加溫度荷載，得到第k個工況第j個支座的位移5。31( j，k)，k=l，2,3--- T;(5-b)根據(jù)下式計算第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次迭代時支座的水平剛度，初始時取Ko, 5mea(j，k)表示實際監(jiān)測位移；（5-C)令殘差
判斷是否成立，所 述[S]建議取值為0.15XT，認為小于該值時迭代后計算的位移與實測位移較為接近，若是， 則迭代結束，將此時的Kp作為支座水平剛度;若否，則返回步驟(5-b)。采用迭代法對支座水 平剛度進行初步修正后，再在步驟7)優(yōu)化分析中進行精細修正。
[0043] 6)基于非均勻溫度場結構響應實測數(shù)據(jù)對鋼橋進行靈敏度分析。由于邊界條件的 誤差、構件物理參數(shù)的誤差和結構連接條件誤差等均可能影響初始有限元模型的計算結 果，有必要通過靈敏度分析確定上述誤差對計算結果(支座位移和結構應變）的影響程度。 分為W下幾個步驟：（6-a)建立誤差變量參數(shù)化的概率有限元模型:將包括材料線膨脹系數(shù) (EX}T、彈性模量腳哺質量密度{p}T，構件軸向剛度化z}哺活動支座的水平剛度化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型，將布設位移 傳感器的支座位移和布設應變傳感器的構件軸向應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 內進行N次隨機抽樣，每完成一次隨機抽樣就對所述鋼橋初始有限元模型進行一次有限元 計算，所述N建議取5000次W上，得到隨機輸入變量{IV}T=(IVl，IV2，IVx...IVa)和隨機輸出 變量{OV} T =( OVi，0V2，OVy... OVb)之間的線性相關系數(shù)矩陣，其中N為抽樣次數(shù)，a為隨機輸 入變量總數(shù)，b為隨機輸出變量總數(shù)，{IV}T為隨機輸入變量全集，IVx代表第X個隨機輸入變 量，{〇V}T為隨機輸出變量全集，OVy代表第y個隨機輸出變量，X為隨機輸入變量序號，y為隨 機輸出變量序號；（6-C)將隨機輸入變量IVx與對應的隨機輸出變量OVy的相關系數(shù)平方和的 累加值
自大到小進行排序，其中rx,y為隨機輸入變量IVx與隨機輸出變量OVy的 相關系數(shù)，取相關系數(shù)累加值大于[Sum]的隨機輸入?yún)?shù)作為下一步優(yōu)化分析的隨機輸入 變量，所述[Sum]由工程設計人員根據(jù)工程實踐中選取的隨機輸入變量數(shù)a和隨機輸出變量 數(shù)b進行設定，當I rx,y I越接近1，說明兩變量的相關性越高。
[0044] 7)通過縮小計算結果與實測數(shù)據(jù)的差值對鋼橋有限元模型進行優(yōu)化。根據(jù)步驟4) 最終得到的溫度場數(shù)據(jù)對鋼橋初始有限元模型設置T個荷載工況分別施加溫度荷載，所述 有限元計算按照W下步驟進行:首先采用ANSYS優(yōu)化模塊中的函數(shù)逼近法對目標函數(shù)進行 優(yōu)化，再在函數(shù)逼近法優(yōu)化的基礎上采用一階尋優(yōu)法對目標函數(shù)進行進一步的優(yōu)化，得到 修正后的某干非挽幻溫度響府臨測估的有限元橫巧，兩次優(yōu)化的目標巧敬均為：
[0045]
[0046] 其中m代表布置有應變傳感器的總構件數(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時刻第i個構件的應變計算值和第j個支座的位移計算 值，emea(i，k)和Smea(j，k)分別代表第k時刻第i個構件的應變監(jiān)測值和第j個支座的位移監(jiān) 測值，C作為位移的權重。
[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xv3r9jzsqgTmin《xv3r9jzsqgT《xv3r9jzsqgTmax 和應變傳感器所在桿件的軸向應變{SA}Tmin《{SA}T《{SA}Tmax，根據(jù)監(jiān)測結果將狀態(tài)變量的 限值定義在正常范圍W內。
[004引8)采用其他溫度場時刻的實測數(shù)據(jù)對修正后的有限元模型進行驗證。由于全年的 溫度場在不斷變化，因此可采用不同時刻的溫度場對修正后的有限元模型進行分析，將計 算結果與對應的響應監(jiān)測值對比，W驗證鋼橋有限元模型的正確性。具體流程為：（8-a)在 溫度場天數(shù)中選取一天用于驗證，初始時刻選取一天中溫度傳感器監(jiān)測值標準方差最小的 時刻，其他時刻的數(shù)據(jù)與初始值相減取相對值，得到溫度差值A r h, k，及其對應時刻的應變 差值e\ea( j，k)、位移差值mea( j，k)，k= 1，2，3 . . . r，i代表第i個布設應變傳感器的構件， j代表第j個布設位移傳感器的支座，為該天的總時刻數(shù)；（8-b)采用步驟7)建立的修正后 有限元模型，對鋼橋初始模型設置r個荷載工況，每個對布設溫度傳感器的構件升溫A TVk,未布設溫度傳感器的截面溫度分布可通過兩個布設溫度傳感器的典型截面溫度值按 所在高度線性差值得到，沿截面高度方向的溫度可通過上下端溫度值進行線性差值，第k個 工況計算值與實測值的殘差為：
[0049]
[0050] 其中m代表布置有應變傳感器的總構件數(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個構件的應變計算值和第^'個支座的位移計算 值。
[0051] 上述實施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術 人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可W做出若干改進和等同替換，運些對本發(fā)明 權利要求進行改進和等同替換后的技術方案，均落入本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種基于非均勻溫度響應監(jiān)測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存在的邊界條件誤差、構件截面性質誤差、材料性 質的誤差和結構連接條件失真確定鋼橋溫度傳感器和應變、位移傳感器的布測位置； 2) 收集并處理鋼橋的溫度傳感器數(shù)據(jù)、應變傳感器數(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剔除應變監(jiān)測數(shù)據(jù)中的動應變成分，再對同一截面上 的兩個應變傳感器測得的靜應變取平均值，作為該構件的軸向應變;對同一橋墩上多個位 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，按照設計數(shù)據(jù)中的結構幾何尺寸、構件截面與位置、材 料性質建立鋼橋初始有限元模型，具體流程為:首先，以鋼橋結構節(jié)點坐標建立有限元模型 的所有節(jié)點；然后，按照設計截面、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)約束條件對節(jié)點施加耦合和約束，得到鋼橋初始有限元模型； 4) 首先篩選出風速級的日子的傳感器監(jiān)測值，即鋼橋平均溫度數(shù)據(jù){Τ}τ，及對應 時刻的結構位移數(shù)據(jù){S}WP應變響應數(shù)據(jù){ε}τ，最后在篩選出的日子中選取溫差最大的一 天，并將這一天所有時刻溫度、應變和位移傳感器監(jiān)測值由絕對值轉化為相對值，并根據(jù)溫 度傳感器監(jiān)測值，通過線性差值得到未布設溫度傳感器處的構件溫度值，作為最終的溫度 場數(shù)據(jù)，其中，[w]為一天風速等級限值，這一天中的總時刻數(shù)為Τ; 5) 基于實測支座位移，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:首先設定所有橋墩的支座水平剛度初始值均為Κο,然后通過 有限元計算減小結構位移與實測值的差值，得到所有支座的水平剛度為K P; 6) 對鋼橋初始有限元模型進行靈敏度分析，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:將包括材料線膨脹系數(shù){ΕΧ}Τ、彈性模量 {Ε}τ和質量密度{ρ}τ，構件軸向剛度{KZ}WP活動支座的水平剛度{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型，將布設位移傳感器的支座位 移和布設應變傳感器的構件軸向應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 范圍內進行N次隨機抽樣，每完成一次隨機抽樣就對所述鋼橋初始有限元模型進行一次有 限元計算，得到隨機輸入變量{1￥}7=(1￥ 1，1￥2，^...^)和隨機輸出變量{0￥}7=(0￥1， 0V 2，0Vy. . .OVb)之間的線性相關系數(shù)矩陣，其中N為抽樣次數(shù)，a為隨機輸入變量總數(shù)，b為隨 機輸出變量總數(shù)，{IV}TS隨機輸入變量全集，IV X代表第X個隨機輸入變量，{〇V}TS隨機輸 出變量全集，〇Vy代表第y個隨機輸出變量，X為隨機輸入變量序號，y為隨機輸出變量序號； (6-c)將隨機輸入變量I Vx與對應的隨機輸出變量0Vy的相關系數(shù)平方和的累加值 Sw/" = ?Μ·由大到小進行排序，其中rx, 隨機輸入變量I Vx與隨機輸出變量0Vy的相關系 產:1. 數(shù)，取相關系數(shù)累加值大于[Sum]的隨機輸入?yún)?shù)作為下一步優(yōu)化分析的隨機輸入變量； 7) 根據(jù)步驟4)最終得到的溫度場數(shù)據(jù)對鋼橋初始有限元模型設置的T個荷載工況分別 施加溫度荷載，然后按照以下步驟進行有限元計算:首先采用ANSYS優(yōu)化模塊中的函數(shù)逼近 法對目標函數(shù)進行優(yōu)化，再在函數(shù)逼近法優(yōu)化的基礎上采用一階尋優(yōu)法對目標函數(shù)進行進 一步的優(yōu)化，得到修正后的基于非均勻溫度響應監(jiān)測值的有限元模型，兩次優(yōu)化的目標函 數(shù)均為：其中m代表布置有應變傳感器的總構件數(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^時刻第1個構件的應變計算值和第」個支座的位移計算值， ￡?^(11〇和3_ 3〇，1〇分別代表第1^時刻第1個構件的應變監(jiān)測值和第」個支座的位移監(jiān)測 值，c為位移的權重； 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xv3r9jzsqgTmin<xv3r9jzsqgT<xv3r9jzsqg Tmax和應 變傳感器所在桿件的軸向應變{SA}Tmin< {SA}T< {SA}Tmax。2. 根據(jù)權利要求1所述的基于非均勻溫度響應監(jiān)測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刻不同傳感器監(jiān)測值由絕對值轉化為相對 值的具體方法為:將該天溫度傳感器監(jiān)測值標準方差最小時刻的數(shù)據(jù)作為初始值:溫度為 {Τ} τ，位移為{δ〇}τ，應變?yōu)閨>Q}T，其他時刻的數(shù)據(jù)與所述初始值相減取的結果作為相對值， 即溫度差值ATh,k，及其對應時刻的應變差值e mea(i，k)、位移差值Smea(j，k)，其中k=l，2， 3... T，h代表第h個布設溫度傳感器的構件，i代表第i個布設應變傳感器的構件，j代表第j 個布設位移傳感器的支座； 所述根據(jù)溫度傳感器監(jiān)測值，通過線性差值得到未布設溫度傳感器處的構件溫度值的 具體方法為:通過兩個布設溫度傳感器的截面溫度值，按所在高度線性差值得到未布設溫 度傳感器的截面溫度分布，通過截面上下端溫度值線性差值得到沿截面高度方向的溫度。3. 根據(jù)權利要求2所述的基于非均勻溫度響應監(jiān)測值的鋼橋有限元模型修正方法，其 特征在于，所述步驟5)中有限元計算的具體流程為： (a) 根據(jù)步驟4)最終得到的溫度場數(shù)據(jù)對鋼橋初始有限元模型設置T個荷載工況分別 施加溫度荷載，得到第k個工況第j個支座的位移δ Μ?( j，k)，k= 1，2，3···Τ; (b) 根據(jù)下式計算第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 次迭代時支座的水平剛度，初始時取1(()，3_(」，1〇表示實際監(jiān)測位移； (c) 令殘差I斷s<[s]是否成立，若是，則迭代結束，將此時的Κ Ρ 作為支座水平剛度;若否，則返回步驟(b)。
【文檔編號】G06F17/50GK105956218SQ201610238017
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月15日
【發(fā)明人】黃小剛, 周臻, 丁幼亮, 朱冬平
【申請人】東南大學