[发明专利]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

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。

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T_ave,t，即T_q,t为t时刻第q个温度传感器的实测温度数据，l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Sum₁≤[Sum₁]且风速w≤[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{T_ave}^T，及对应时刻的结构位移数据{δ}^T和应变响应数据{ε}^T，最后在均匀温度场数据{T_ave}^T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[Sum₁]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G；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K₀，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，所述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△T_ave,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δ_cal(j,k)，k＝1，2，3…T，T为大跨钢桥初始模型设置的荷载工况个数；(b)根据下式计算第p步迭代下的支座水平刚度：其中n为布置有支座位移传感器的总支座数，K_p为第p次迭代时支座的水平刚度，初始时取K₀，δ_mea(j,k)表示实际监测位移；(c)令残差判断s≤[s]是否成立，若是，则迭代结束，将此时的K_p作为支座水平刚度；若否，则返回步骤(b)，其中[s]为支座位移残差限值；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{EX}^T、弹性模量{E}^T和质量密度{ρ}^T，构件轴向刚度{K_z}^T和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{IV}^T＝(IV₁，IV₂，IV_x…IV_a)和随机输出变量{OV}^T＝(OV₁，OV₂，OV_y…OV_b)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}^T为随机输入变量全集，IV_x代表第x个随机输入变量，{OV}^T为随机输出变量全集，OV_y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IV_x与对应的随机输出变量OV_y的相关系数平方和的累加值由大到小进行排序，其中r_x,y为随机输入变量IV_x与随机输出变量OV_y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△T_ave,k度后，按照以下步骤进行有限元计算，其中k＝1，2，3…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，n代表布置有支座位移传感器的总支座数，ε_cal(i,k)和δ_cal(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，ε_mea(i,k)和δ_mea(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；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}^T_min≤{d}^T≤{d}^T_max和应变传感器所在杆件的轴向应变{S_A}^T_min≤{S_A}^T≤{S_A}^T_max。