一种桥梁斜拉索的疲劳损伤评估方法及系统
本发明涉及桥梁监测，特别涉及一种桥梁斜拉索的疲劳损伤评估方法及系统。
背景技术：
1、斜拉索作为大跨径桥梁的关键受力构件，其结构安全直接影响整个桥梁运营安全。为保障斜拉桥的运营安全，基于桥梁结构健康监测系统海量监测数据，对斜拉索的疲劳性能退化趋势进行准确分析及评估，对避免斜拉桥发生突发的结构疲劳破坏至关重要。虽然结构健康监测为疲劳损伤诊断提供了数据支撑，但目前海量监测数据的分析挖掘深度不足，仍缺乏有效的技术手段对斜拉桥的状态进行精准评估。
2、交通荷载是造成斜拉索疲劳损伤的关键因素，目前提供了一种斜拉索疲劳损伤评估方案：根据当地交通状况大数据制定疲劳车辆荷载谱或疲劳车模型，再结合疲劳试验数据拟合结构构件的疲劳设计曲线，然后采用miner线性准则进行斜拉索疲劳损伤评估。然而，miner线性准则的疲劳损伤评估结果与实际相差较大，导致斜拉索疲劳损伤评估效果较差。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种桥梁斜拉索的疲劳损伤评估方法及系统，可以实现桥梁斜拉索疲劳损伤的精确评估。
2、为解决上述技术问题，本发明的实施例提供了一种桥梁斜拉索的疲劳损伤评估方法，包括以下步骤：
3、获取桥梁的监测数据，所述监测数据包括桥梁斜拉索的结构参数以及桥梁上通过的不同类型车辆的荷载；
4、根据斜拉索的结构参数，采用有限元分析法建立用于表征斜拉索结构模态的有限元模型，将实时监测到的斜拉索的结构模态作为第一结构模态，将有限元模型所指示的斜拉索的结构模态作为第二结构模态，并采用动力摄动法建立第一结构模态与第二结构模态之间的摄动关系，并基于第一结构模态与第二结构模态之间的摄动关系，对有限元模型进行修正，得到斜拉索模型；
5、将每种类型车辆的荷载分别加载至斜拉索模型中，得到斜拉索在不同类型车辆的荷载作用下的结构应力；
6、基于斜拉索在不同类型车辆的荷载作用下的结构应力和非线性疲劳累积损伤corten-dolan准则，确定斜拉索在不同类型车辆的不同通过次序对应的荷载作用下的结构应力和在不同类型车辆的累积对应的荷载作用下的结构应力；
7、根据斜拉索的应力-寿命s-n曲线，确定斜拉索在不同类型车辆的荷载作用下的结构应力与疲劳损伤之间的关系、在不同类型车辆的不同通过次序对应的荷载作用下的结构应力与疲劳损伤之间的关系以及在不同类型车辆的累积对应的荷载作用下的结构应力与疲劳损伤之间的关系，以获取桥梁斜拉索的疲劳损伤评估结果。
8、在一些可选的实施例中，所述第一结构模态与所述第二结构模态之间的摄动关系通过以下公式表示：
9、
10、其中，为实时监测到的斜拉索结构的第i阶实测频率，为有限元模型所指示的斜拉索结构的第i阶计算频率，为实时监测到的斜拉索结构的第i阶实测特征向量，为有限元模型所指示的斜拉索结构的第i阶计算特征向量，为结构的整体质量矩阵，k为结构的整体刚度矩阵，和分别为模型修正前后结构整体刚度矩阵和整体质量矩阵的改变量，，为第j个刚度贡献矩阵，为第m个质量贡献矩阵，为第j个刚度贡献矩阵的修正参数，为第m个质量贡献矩阵的修正参数，为刚度贡献矩阵的修正参数的个数，为质量贡献矩阵的修正参数的个数。
11、在一些可选的实施例中，所述刚度贡献矩阵和所述质量贡献矩阵的修正参数均采用遗传算法获取得到。
12、在一些可选的实施例中，所述将每种类型车辆的荷载分别加载至斜拉索模型中，得到斜拉索在不同类型车辆的荷载作用下的结构应力，包括：
13、基于高斯混合模型，通过桥梁上通过的多个不同车辆的类型、每种类型的车辆出现的频次以及每种类型的车辆的荷载，为每种类型的车辆建立对应的等效车辆荷载模型；
14、通过每种类型的车辆的等效车辆荷载模型与斜拉索模型，确定斜拉索在不同类型车辆的荷载作用下的结构应力。
15、在一些可选的实施例中，所述车辆的荷载由车辆的车型、车重、轴重以及轴距分布确定。
16、在一些可选的实施例中，所述等效车辆荷载模型通过以下公式建立：
17、
18、
19、
20、式中，为轴车的第个车轴的轴重；为出现的相对概率；为轴车第轴的等效轴重；为同一类型车辆第个车轴的轴距频数；为出现的相对概率；为轴车第个车轴的轴距；为车辆的荷载；为高斯混合分布的权重参数；，和分别为第i个高斯分布函数的平均值和标准差。
21、在一些可选的实施例中根据斜拉索的应力-寿命s-n曲线，确定斜拉索在不同类型车辆的荷载作用下的结构应力与疲劳损伤之间的关系、在不同类型车辆的不同通过次序对应的荷载作用下的结构应力与疲劳损伤之间的关系以及在不同类型车辆的累积对应的荷载作用下的结构应力与疲劳损伤之间的关系，所述方法还包括：
22、根据斜拉索在大气环境下的腐蚀规律，确定斜拉索在不同腐蚀程度下的结构应力；
23、根据斜拉索在不同腐蚀程度下的结构应力，对斜拉索的s-n曲线进行修正；
24、通过修正后的斜拉索的s-n曲线，确定斜拉索在不同类型车辆的荷载作用下的结构应力与疲劳损伤之间的关系、在不同类型车辆的不同通过次序对应的荷载作用下的结构应力与疲劳损伤之间的关系以及在不同类型车辆的累积对应的荷载作用下的结构应力与疲劳损伤之间的关系。
25、本发明的实施例还提供了一种桥梁斜拉索的疲劳损伤评估系统，包括：
26、数据获取模块，用于获取桥梁的监测数据，所述监测数据包括桥梁斜拉索的结构参数以及桥梁上通过的不同类型车辆的荷载；
27、模型建立模块，用于根据斜拉索的结构参数，采用有限元分析法建立用于表征斜拉索结构模态的有限元模型，将实时监测到的斜拉索的结构模态作为第一结构模态，将有限元模型所指示的斜拉索的结构模态作为第二结构模态，并采用动力摄动法建立第一结构模态与第二结构模态之间的摄动关系，并基于第一结构模态与第二结构模态之间的摄动关系，对有限元模型进行修正，得到斜拉索模型；
28、模型加载模块，用于将每种类型车辆的荷载分别加载至斜拉索模型中，得到斜拉索在不同类型车辆的荷载作用下的结构应力；
29、荷载响应模块，用于基于斜拉索在不同类型车辆的荷载作用下的结构应力和非线性疲劳累积损伤corten-dolan准则，确定斜拉索在不同类型车辆的不同通过次序对应的荷载作用下的结构应力和在不同类型车辆的累积对应的荷载作用下的结构应力；
30、疲劳评估模块，用于根据斜拉索的应力-寿命s-n曲线，确定斜拉索在不同类型车辆的荷载作用下的结构应力与疲劳损伤之间的关系、在不同类型车辆的不同通过次序对应的荷载作用下的结构应力与疲劳损伤之间的关系以及在不同类型车辆的累积对应的荷载作用下的结构应力与疲劳损伤之间的关系，以获取桥梁斜拉索的疲劳损伤评估结果。
31、本发明的实施例还提供了一种计算机设备，包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器中存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述桥梁斜拉索的疲劳损伤评估方法。
32、本发明的实施例还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述桥梁斜拉索的疲劳损伤评估方法。
33、本发明提供的桥梁斜拉索的疲劳损伤评估方法，至少具有以下有益效果：
34、首先根据桥梁斜拉索的结构参数建立了桥梁斜拉索的模型，该模型可以表征斜拉索的结构模态，将获取的桥梁上通过的多个不同类型车辆的荷载（车辆荷载即交通荷载）加载至斜拉索模型中，可以得到了在不同类型车辆的荷载作用下斜拉索的结构应力即桥梁斜拉索对不同类型车辆的荷载的结构响应情况。而由于corten-dolan准则考虑到了不同车辆荷载对斜拉索疲劳损伤影响的非线性特征，从而基于该准则与斜拉索在不同类型车辆放入荷载作用下的结构应力，可以确定斜拉索在不同类型车辆的不同通过次序对应的荷载作用下的结构应力和在不同类型车辆的累积对应的荷载作用下的结构应力。斜拉索的应力-寿命s-n曲线又用于体现斜拉索结构应力与疲劳损伤之间的关系，因此最终不仅可以确定斜拉索在不同类型车辆的荷载作用下的结构应力与疲劳损伤之间的关系，还能够确定斜拉索在不同类型车辆的不同通过次序对应的荷载作用下的结构应力与疲劳损伤之间的关系以及在不同类型车辆的累积对应的荷载作用下的结构应力与疲劳损伤之间的关系，所考虑的车辆荷载对桥梁斜拉索的结构影响更加符合桥梁实际情况，因此能够有效提升桥梁斜拉索疲劳损伤评估的准确性。
35、并且，本发明中在建立斜拉索模型时，首先用有限元分析法建立用于表征斜拉索结构模态的有限元模型，然后将有限元模型所指示的斜拉索的结构模态作为第二结构模态，并采用动力摄动法建立第一结构模态与第二结构模态之间的摄动关系，并基于第一结构模态与第二结构模态之间的摄动关系，对有限元模型进行修正，得到斜拉索模型，使得最终得到的斜拉索模型更能够准确地体现斜拉索的结构情况，有利于后续疲劳损伤的评估。
技术特征：
1.一种桥梁斜拉索的疲劳损伤评估方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的桥梁斜拉索的疲劳损伤评估方法，其特征在于，所述第一结构模态与所述第二结构模态之间的摄动关系通过以下公式表示：
3.根据权利要求2所述的桥梁斜拉索的疲劳损伤评估方法，其特征在于，所述刚度贡献矩阵和所述质量贡献矩阵的修正参数均采用遗传算法获取得到。
4.根据权利要求1所述的桥梁斜拉索的疲劳损伤评估方法，其特征在于，所述将每种类型车辆的荷载分别加载至斜拉索模型中，得到斜拉索在不同类型车辆的荷载作用下的结构应力，包括：
5.根据权利要求4所述的桥梁斜拉索的疲劳损伤评估方法，其特征在于，所述车辆的荷载由车辆的车型、车重、轴重以及轴距分布确定。
6.根据权利要求5所述的桥梁斜拉索的疲劳损伤评估方法，其特征在于，所述等效车辆荷载模型通过以下公式建立：
7.根据权利要求1所述的桥梁斜拉索的疲劳损伤评估方法，其特征在于，所述根据斜拉索的应力-寿命s-n曲线，确定斜拉索在不同类型车辆的荷载作用下的结构应力与疲劳损伤之间的关系、在不同类型车辆的不同通过次序对应的荷载作用下的结构应力与疲劳损伤之间的关系以及在不同类型车辆的累积对应的荷载作用下的结构应力与疲劳损伤之间的关系，包括：
8.一种桥梁斜拉索的疲劳损伤评估系统，其特征在于，所述系统包括：
9.一种计算机设备，其特征在于，包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1至7中任一项所述的桥梁斜拉索的疲劳损伤评估方法。
10.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至7中任一项所述的桥梁斜拉索的疲劳损伤评估方法。
技术总结
本发明涉及桥梁监测技术领域，公开了一种桥梁斜拉索的疲劳损伤评估方法及系统。该方法包括：获取桥梁的斜拉索的结构参数及桥梁上通过的不同类型车辆的荷载；根据斜拉索的结构参数，建立表征斜拉索结构模态的斜拉索模型；将每个荷载分别加载至斜拉索模型中，得到斜拉索在不同荷载作用下的结构应力；基于斜拉索在不同荷载作用下的结构应力以及Corten‑Dolan准则，确定斜拉索在不同次序车辆的荷载作用下的结构应力以及在不同车辆的荷载累积作用下的结构应力，结合斜拉索的S‑N曲线以及该结构应力与车辆荷载之间的关系，进行斜拉索疲劳损伤评估，以提升斜拉索疲劳损伤评估的准确性。
技术研发人员：鹿守山,陈华鹏,伍伟斌,叶玲,俞俊平,江钰,刘佳华
受保护的技术使用者：华东交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23