第15章 群索結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)智能感知

第15章

群索結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)智能感知橋梁工程結(jié)構(gòu)智慧監(jiān)測——理論與實踐在斜拉橋服役若干年后，由于塔頂變位、基礎(chǔ)沉降、收縮徐變等因素的影響，實際索力與設(shè)計索力必然存在一定的偏差。大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)斜拉索體系的安全性評估，應(yīng)盡可能反映結(jié)構(gòu)當前的工作狀態(tài)，并應(yīng)以結(jié)構(gòu)當前的工作狀態(tài)為評判標準。目前工程中常用的索力評估方法是一種簡單的比較分析法，這種評估方法沒有建立合理的閥值體系，本質(zhì)上還是針對單索索力狀態(tài)的評判，不適用于總體索力評估。而群索索力大小可以一定程度上反映全橋內(nèi)力分布狀況，可作為結(jié)構(gòu)整體安全評估的依據(jù)和關(guān)鍵。本章擬從群索索力數(shù)據(jù)綜合分析的角度出發(fā)，利用蒙特卡羅方法結(jié)合影響矩陣方法建立群索索力的閥值體系，進而給出基于相異測度的群索索力工作狀態(tài)智能感知方法。15.115.215.3群索體系索力狀態(tài)安全評估工程實例群索索力狀態(tài)實時感知軟件實現(xiàn)及平臺部署CONTENTS15.1群索體系索力狀態(tài)安全評估單索索力比較過程中，部分索力的相對變化值可以高達10%甚至更多。但是作為一個整體的受力體系而言，橋梁受力仍處于正常狀態(tài)。原因：橋梁的變形導(dǎo)致索力在全索面的重新分配引起，對受力體系的影響并不大。但，倘若每根索都發(fā)生細微的變化，在簡單進行單索比較時不存在任何問題，有時卻無法滿足橋梁整體的受力要求。群索索力與橋梁整體內(nèi)力狀態(tài)的相關(guān)性斜拉橋是一種組合受力體系，結(jié)構(gòu)的恒載和活載是依靠群索、主梁和索塔的三者共同承擔的。斜拉橋主梁不僅承受較大的軸向壓力，而且也抵抗一定的彎矩作用。豎向荷載大部分靠斜拉索豎向分量來平衡。除索纜體系外的結(jié)構(gòu)的整體內(nèi)力分布、結(jié)構(gòu)靜力效應(yīng)和動力響應(yīng)，均與群索索力的整體分布具有較強的相關(guān)性；單根拉索的索力變化對結(jié)構(gòu)整體受力狀況的影響很小。群索索力與橋梁整體內(nèi)力狀態(tài)的相關(guān)性簡化斜拉橋模型示意圖群索索力與橋梁整體內(nèi)力狀態(tài)的相關(guān)性對于斜拉橋，忽略風荷載的影響時，群索索力與結(jié)構(gòu)整體目標力學(xué)量（外加荷載或作用、內(nèi)力、應(yīng)力或位移）之間的關(guān)系可以表述為：群索索力與橋梁整體內(nèi)力狀態(tài)的相關(guān)性同樣的，也可建立關(guān)系斜拉橋正常運營狀態(tài)或承載能力狀態(tài)的目標力學(xué)量與綜合施調(diào)向量之間的關(guān)系如下：Ctar——綜合施調(diào)向量D對應(yīng)于目標力學(xué)量的影響矩陣；Star——目標力學(xué)量，由斜拉橋中一些關(guān)鍵截面上的關(guān)鍵力學(xué)量所組成的列向量，包括截面內(nèi)力、應(yīng)力及位移等。群索索力與橋梁整體內(nèi)力狀態(tài)的相關(guān)性[Star]表示與目標力學(xué)量相對應(yīng)的閥值或抗力列向量。而截面內(nèi)力、應(yīng)力及位移等關(guān)鍵力學(xué)量一般在設(shè)計階段被用來定義結(jié)構(gòu)整體的正常使用極限狀態(tài)或承載能力極限狀態(tài)，其功能方程Z（裕度）可由下式表示：群索索力與橋梁整體內(nèi)力狀態(tài)的相關(guān)性群索索力與橋梁整體內(nèi)力狀態(tài)的相關(guān)性群索索力與橋梁整體內(nèi)力狀態(tài)的相關(guān)性結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力狀態(tài)與群索索力緊密相關(guān)，任何一個反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)的目標變量均可以近似表示成群索索力的線性組合。目標量與群索索力通過綜合施調(diào)列向量D發(fā)生關(guān)系，故可以寫成群索索力的線性組合如下式：群索索力與橋梁整體內(nèi)力狀態(tài)的相關(guān)性進而可以通過群索索力的樣本集合，來判別目標量的情況，以此判斷結(jié)構(gòu)整體距離極限狀態(tài)的裕度Z。由于不均勻沉降作用、交通荷載、溫度分布的變化，斜拉索索力是不斷發(fā)生變化的，這也導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化。欲對結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行準確判斷，必須首先對群索索力向量進行度量。此外，群索索力也是高維的，不便于進行處理，需要利用向量的某種度量，來簡化判別分析。群索索力的相異測度度量在實際工程中，度量向量的最好手段就是相異測度或相似測度。相異測度就是一組衡量數(shù)據(jù)樣本之間相異性的指標。相異測度：群索索力的相異測度度量異測度用作數(shù)據(jù)點的分類，即測度空間內(nèi)的相異標簽子空間的邊界劃分時，常常希望這些相異測度具有最佳的類別區(qū)分能力，這可由如下準則J2、J3和J4取值大小來評判。各相異測度性能評判準則：上述準則取值越大，測度的類內(nèi)分布就越小，類間分布越大，從而相異測度的空間劃分性能也就越好。群索索力的相異測度度量各相異測度性能評判準則：群索索力度量的閥值體系將群索索力的相異測度度量作為評估指標，還必須給出相應(yīng)的指標閥值。由索絲材料強度確定的閥值對結(jié)構(gòu)評估沒有意義，必須由與結(jié)構(gòu)整體行為有關(guān)的結(jié)構(gòu)控制截面的目標量來決定群索索力度量的閥值。對于斜拉橋，有明確設(shè)計限值的結(jié)構(gòu)狀態(tài)的目標量有：主塔塔頂變位，主跨跨中撓度，主梁梁端轉(zhuǎn)角，主梁關(guān)鍵截面彎矩，塔梁結(jié)合部彎矩等。群索索力度量的閥值體系群索索力的閥值體系可以用反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)的目標變量的閥值來間接地獲得，即式中，i代表下標‘u,f’，‘u,c’，‘s,f’，‘s,c’。進而，可得到群索索力的相異測度的閥值，對特定狀態(tài)下群索索力S的評估，就可以轉(zhuǎn)換為對群索索力相異測度的評估，用蒙特卡羅方法確定群索索力度量的閥值體系15.2工程實例工程背景本節(jié)以某大跨徑斜拉橋為工程背景，該斜拉橋位于華南沿海地區(qū)，橋位處緯度低，日照時間長，季風影響明顯且雨量充足，屬于亞熱帶季風氣候。主橋是雙塔雙索面混合結(jié)構(gòu)斜拉橋，通航跨為鋼箱梁、錨跨為混凝土箱梁。主塔為鋼筋混凝土鉆石型結(jié)構(gòu)。每一索面有20對斜拉索，共計4×20=80對斜拉索。設(shè)計荷載為汽車-超20，掛車-120。自開始運營至2010年止，該斜拉橋共經(jīng)過八次斜拉索索力檢測。考慮到橋梁縱向并非完全對稱，故本節(jié)選取上游側(cè)兩個索面及下游側(cè)兩個索面的各80根拉索的索力值分別作為一個數(shù)據(jù)樣本，共計16個數(shù)據(jù)樣本。廣東省某跨海大橋目標量閥值、影響矩陣及初始施調(diào)向量MidasCivil建立的有限元模型應(yīng)用蒙特卡羅方法確立群索索力閥值體系的關(guān)鍵問題之一求得與極限狀態(tài)相匹配的類標簽。按最不利位置布置活載，計算得到全橋的承載能力極限狀態(tài)（以單側(cè)塔底截面彎矩為目標變量）和正常使用極限狀態(tài)（以中跨跨中撓度為目標變量）。通過初始優(yōu)化調(diào)索計算，得出初始施調(diào)向量和影響矩陣。目標量閥值、影響矩陣及初始施調(diào)向量蒙特卡羅統(tǒng)計試驗交通流荷載的合理建模明顯不同于規(guī)范中車道荷載建模，既要模擬實際交通流作用在橋面上的隨機性，又不要拘泥于具體加載模式和隨機分布類型，從而簡化分析。1、將交通流模擬成80個獨立分布的隨機集中力，作用位置固定于拉索位置的主梁上，分布類型為[-70，210]之間的均勻分布。2、利用事先得到的影響矩陣代替隨機活荷載與群索索力及結(jié)構(gòu)目標變量之間的復(fù)雜函數(shù)關(guān)系進行蒙特卡羅仿真計算，次數(shù)5000次。蒙特卡羅統(tǒng)計試驗蒙特卡羅法仿真得到的群索索力樣本蒙特卡羅統(tǒng)計試驗蒙特卡羅法仿真得到的目標變量相異測度比選及其閥值體系的確定假設(shè)該斜拉橋成橋階段為健康狀態(tài)，選擇成橋群索索力為基準（數(shù)值通過通車前的竣工實驗獲得，此時交通流可考慮為零，試驗時的整體溫度為基準溫度），計算相應(yīng)的相異測度，以及利用正常使用極限狀態(tài)功能方程得到的類標簽。相異測度比選及其閥值體系的確定按分類能力大小排序，最好的測度是Canberra距離，其次是街區(qū)距離和歐式距離，而切比雪夫距離、角分離度和相關(guān)系數(shù)的J4準則值很小，不適于用作標簽數(shù)據(jù)的分類。相異測度比選及其閥值體系的確定針對實測群索數(shù)據(jù)的狀態(tài)評估為驗證群索索力閥值體系的合理性和有效性，將八年來索力普查測得的群索索力數(shù)據(jù)樣本（上下游，共十六組）代入相異測度計算公式?；鶞仕髁颖具x為竣工試驗時上游側(cè)兩個索面的80根索組成的模式樣本。基于相異測度指標的實測群索索力狀態(tài)評估15.3群索索力狀態(tài)實時感知軟件實現(xiàn)及平臺部署感知函數(shù)的實現(xiàn)考慮到該實時感知算法是將索力向量樣本映射為一個標量（相異測度），應(yīng)屬于科學(xué)計算類庫功能實現(xiàn)中“多通道監(jiān)測數(shù)據(jù)映射為單一感知指標后，與感知指標閥值進行比較，實現(xiàn)感知功能”的范疇，故感知函數(shù)應(yīng)命名為singleDeeperComparisonofCableforce.m。感知函數(shù)的組件化及部署應(yīng)用以com.bridge.SHM.earlyWarning作為項目名，以SingleDeeperComparison作為Java類名，并導(dǎo)入singleDeeperComparisonofCableforce.m函數(shù)以及數(shù)據(jù)文件data.mat，