[发明专利]一种桥梁结构钢箱梁随机温度场的模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种随机温度场的模拟方法，尤其是一种应用于桥梁结构钢箱梁的随机温度场的模拟方法，主要应用于土木工程桥梁结构健康监测领域。

背景技术

桥梁结构钢箱梁由于钢材的热膨胀系数高、导热性能好，使其对温度的变化十分敏感。太阳辐射的不均匀以及大气温度的骤然变化引起的温度梯度应力对钢桥的作用也十分显著。温度荷载已成为大跨度钢箱梁桥梁服役期的主要荷载之一，对桥梁结构的温度场及其应力分析也逐渐成为桥梁结构全寿命评估的重要一环。对桥梁进行温度效应评估，合理的钢箱梁温度场取值是基础。目前获得钢箱梁温度场的主要手段是通过安装温度传感器在桥梁结构上进行现场实测。这种方法虽然能够准确获得测点的温度数据，然而也存在造价高、投入的人力物力大、传感器使用寿命有限、施工难度大等缺点，不仅如此，结构全寿命温度效应评估往往需要十几年甚至几十年的温度数据，现场实测显然无法满足要求。因此，迫切需要一种简洁、有效的方法来获取满足桥梁结构全寿命评估要求的温度场数据。以实测温度数据的统计特性和时变规律为基础，采用极值分析和逆变换抽样方法进行桥梁结构钢箱梁随机温度场数值模拟是一种有效的手段。

极值分析是为了估计罕见事件发生概率而做的随机过程分析，它常用于预测灾害性天气，如高温、暴雨、强风、严霜等的发生概率。逆变换抽样方法是一种获取目标概率密度函数样本序列的统计分析方法，它利用一个服从均匀分布的已知样本序列，构造一个已知样本序列的函数，使此函数值序列的概率密度函数等于待模拟的目标概率密度函数。该方法具有严格的理论推导，抽样结果与目标概率密度函数符合较好，在统计分析中得到了广泛的应用。然而逆变换抽样方法需要对目标概率密度函数求反函数和求导，钢箱梁实测温度的概率密度函数一般比较复杂，无法求出温度概率密度函数的反函数解析表达式，导致逆变换抽样方法在钢箱梁温度场模拟中难以实现。

综上所述，逆变换抽样方法虽然有很多优点，但不能应用于桥梁结构钢箱梁随机温度场模拟，急需一种将实测数据的统计特性和时变规律与极值分析以及逆变换抽样方法相结合的改进逆变换抽样方法对钢箱梁随机温度场进行模拟，并使得模拟的随机温度场不仅能够符合钢箱梁一年四季以及从白天到黑夜的温度变化规律，还能满足钢箱梁温度的统计特性，适应桥梁结构全寿命评估的需求。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种桥梁结构钢箱梁随机温度场的模拟方法，重点解决如何针对钢箱梁有限的实测温度的时变规律和统计特性，有效地对逆变换抽样方法进行改进，并利用其进行钢箱梁随机温度场的模拟，模拟结果能够直接用于桥梁结构温度效应分析。

技术方案：为实现以上的技术目的，本发明的一种桥梁结构钢箱梁随机温度场的模拟方法的具体技术方案为：

（1）选取桥梁结构钢箱梁的某一温度测点作为参考点，计算其余测点与参考点之间的温差                                                ；

（2）选取钢箱梁实测温度的概率密度函数的形式为：

    (1)

式中，表示测点温度的概率密度函数，和表示正态分布，、、和表示正态分布的概率密度函数的参数，和分别表示两个正态分布的权重，且；

选取钢箱梁温差的概率密度函数的形式为：

      (2)

其中，表示温差的概率密度函数，表示威布尔分布的概率密度函数，表示正态分布的概率密度函数，和分别表示威布尔分布和正态分布的权重，且；

根据桥梁结构钢箱梁的实测温度和温差数据，采用参数估计和假设检验这两种统计分析方法得出钢箱梁参考点温度的概率密度函数f(t)和温差的概率密度函数f(Δt)；

（3）根据桥梁的结构特性和全寿命评估的数据需求确定模拟温度样本的采用频率为Hz、模拟的时间跨度为年，进而得到模拟时间跨度内的温度样本个数N为

                        (3)