第15章 群索结构的工作状态智能感知

第15章

群索结构的工作状态智能感知桥梁工程结构智慧监测——理论与实践在斜拉桥服役若干年后，由于塔顶变位、基础沉降、收缩徐变等因素的影响，实际索力与设计索力必然存在一定的偏差。大跨度斜拉桥结构斜拉索体系的安全性评估，应尽可能反映结构当前的工作状态，并应以结构当前的工作状态为评判标准。目前工程中常用的索力评估方法是一种简单的比较分析法，这种评估方法没有建立合理的阀值体系，本质上还是针对单索索力状态的评判，不适用于总体索力评估。而群索索力大小可以一定程度上反映全桥内力分布状况，可作为结构整体安全评估的依据和关键。本章拟从群索索力数据综合分析的角度出发，利用蒙特卡罗方法结合影响矩阵方法建立群索索力的阀值体系，进而给出基于相异测度的群索索力工作状态智能感知方法。15.115.215.3群索体系索力状态安全评估工程实例群索索力状态实时感知软件实现及平台部署CONTENTS15.1群索体系索力状态安全评估单索索力比较过程中，部分索力的相对变化值可以高达10%甚至更多。但是作为一个整体的受力体系而言，桥梁受力仍处于正常状态。原因：桥梁的变形导致索力在全索面的重新分配引起，对受力体系的影响并不大。但，倘若每根索都发生细微的变化，在简单进行单索比较时不存在任何问题，有时却无法满足桥梁整体的受力要求。群索索力与桥梁整体内力状态的相关性斜拉桥是一种组合受力体系，结构的恒载和活载是依靠群索、主梁和索塔的三者共同承担的。斜拉桥主梁不仅承受较大的轴向压力，而且也抵抗一定的弯矩作用。竖向荷载大部分靠斜拉索竖向分量来平衡。除索缆体系外的结构的整体内力分布、结构静力效应和动力响应，均与群索索力的整体分布具有较强的相关性；单根拉索的索力变化对结构整体受力状况的影响很小。群索索力与桥梁整体内力状态的相关性简化斜拉桥模型示意图群索索力与桥梁整体内力状态的相关性对于斜拉桥，忽略风荷载的影响时，群索索力与结构整体目标力学量（外加荷载或作用、内力、应力或位移）之间的关系可以表述为：群索索力与桥梁整体内力状态的相关性同样的，也可建立关系斜拉桥正常运营状态或承载能力状态的目标力学量与综合施调向量之间的关系如下：Ctar——综合施调向量D对应于目标力学量的影响矩阵；Star——目标力学量，由斜拉桥中一些关键截面上的关键力学量所组成的列向量，包括截面内力、应力及位移等。群索索力与桥梁整体内力状态的相关性[Star]表示与目标力学量相对应的阀值或抗力列向量。而截面内力、应力及位移等关键力学量一般在设计阶段被用来定义结构整体的正常使用极限状态或承载能力极限状态，其功能方程Z（裕度）可由下式表示：群索索力与桥梁整体内力状态的相关性群索索力与桥梁整体内力状态的相关性群索索力与桥梁整体内力状态的相关性结构整体内力状态与群索索力紧密相关，任何一个反映结构状态的目标变量均可以近似表示成群索索力的线性组合。目标量与群索索力通过综合施调列向量D发生关系，故可以写成群索索力的线性组合如下式：群索索力与桥梁整体内力状态的相关性进而可以通过群索索力的样本集合，来判别目标量的情况，以此判断结构整体距离极限状态的裕度Z。由于不均匀沉降作用、交通荷载、温度分布的变化，斜拉索索力是不断发生变化的，这也导致了结构状态的变化。欲对结构状态进行准确判断，必须首先对群索索力向量进行度量。此外，群索索力也是高维的，不便于进行处理，需要利用向量的某种度量，来简化判别分析。群索索力的相异测度度量在实际工程中，度量向量的最好手段就是相异测度或相似测度。相异测度就是一组衡量数据样本之间相异性的指标。相异测度：群索索力的相异测度度量异测度用作数据点的分类，即测度空间内的相异标签子空间的边界划分时，常常希望这些相异测度具有最佳的类别区分能力，这可由如下准则J2、J3和J4取值大小来评判。各相异测度性能评判准则：上述准则取值越大，测度的类内分布就越小，类间分布越大，从而相异测度的空间划分性能也就越好。群索索力的相异测度度量各相异测度性能评判准则：群索索力度量的阀值体系将群索索力的相异测度度量作为评估指标，还必须给出相应的指标阀值。由索丝材料强度确定的阀值对结构评估没有意义，必须由与结构整体行为有关的结构控制截面的目标量来决定群索索力度量的阀值。对于斜拉桥，有明确设计限值的结构状态的目标量有：主塔塔顶变位，主跨跨中挠度，主梁梁端转角，主梁关键截面弯矩，塔梁结合部弯矩等。群索索力度量的阀值体系群索索力的阀值体系可以用反映结构状态的目标变量的阀值来间接地获得，即式中，i代表下标‘u,f’，‘u,c’，‘s,f’，‘s,c’。进而，可得到群索索力的相异测度的阀值，对特定状态下群索索力S的评估，就可以转换为对群索索力相异测度的评估，用蒙特卡罗方法确定群索索力度量的阀值体系15.2工程实例工程背景本节以某大跨径斜拉桥为工程背景，该斜拉桥位于华南沿海地区，桥位处纬度低，日照时间长，季风影响明显且雨量充足，属于亚热带季风气候。主桥是双塔双索面混合结构斜拉桥，通航跨为钢箱梁、锚跨为混凝土箱梁。主塔为钢筋混凝土钻石型结构。每一索面有20对斜拉索，共计4×20=80对斜拉索。设计荷载为汽车-超20，挂车-120。自开始运营至2010年止，该斜拉桥共经过八次斜拉索索力检测。考虑到桥梁纵向并非完全对称，故本节选取上游侧两个索面及下游侧两个索面的各80根拉索的索力值分别作为一个数据样本，共计16个数据样本。广东省某跨海大桥目标量阀值、影响矩阵及初始施调向量MidasCivil建立的有限元模型应用蒙特卡罗方法确立群索索力阀值体系的关键问题之一求得与极限状态相匹配的类标签。按最不利位置布置活载，计算得到全桥的承载能力极限状态（以单侧塔底截面弯矩为目标变量）和正常使用极限状态（以中跨跨中挠度为目标变量）。通过初始优化调索计算，得出初始施调向量和影响矩阵。目标量阀值、影响矩阵及初始施调向量蒙特卡罗统计试验交通流荷载的合理建模明显不同于规范中车道荷载建模，既要模拟实际交通流作用在桥面上的随机性，又不要拘泥于具体加载模式和随机分布类型，从而简化分析。1、将交通流模拟成80个独立分布的随机集中力，作用位置固定于拉索位置的主梁上，分布类型为[-70，210]之间的均匀分布。2、利用事先得到的影响矩阵代替随机活荷载与群索索力及结构目标变量之间的复杂函数关系进行蒙特卡罗仿真计算，次数5000次。蒙特卡罗统计试验蒙特卡罗法仿真得到的群索索力样本蒙特卡罗统计试验蒙特卡罗法仿真得到的目标变量相异测度比选及其阀值体系的确定假设该斜拉桥成桥阶段为健康状态，选择成桥群索索力为基准（数值通过通车前的竣工实验获得，此时交通流可考虑为零，试验时的整体温度为基准温度），计算相应的相异测度，以及利用正常使用极限状态功能方程得到的类标签。相异测度比选及其阀值体系的确定按分类能力大小排序，最好的测度是Canberra距离，其次是街区距离和欧式距离，而切比雪夫距离、角分离度和相关系数的J4准则值很小，不适于用作标签数据的分类。相异测度比选及其阀值体系的确定针对实测群索数据的状态评估为验证群索索力阀值体系的合理性和有效性，将八年来索力普查测得的群索索力数据样本（上下游，共十六组）代入相异测度计算公式。基准索力样本选为竣工试验时上游侧两个索面的80根索组成的模式样本。基于相异测度指标的实测群索索力状态评估15.3群索索力状态实时感知软件实现及平台部署感知函数的实现考虑到该实时感知算法是将索力向量样本映射为一个标量（相异测度），应属于科学计算类库功能实现中“多通道监测数据映射为单一感知指标后，与感知指标阀值进行比较，实现感知功能”的范畴，故感知函数应命名为singleDeeperComparisonofCableforce.m。感知函数的组件化及部署应用以com.bridge.SHM.earlyWarning作为项目名，以SingleDeeperComparison作为Java类名，并导入singleDeeperComparisonofCableforce.m函数以及数据文件data.mat，