一种基于时变温度响应的桥梁结构概率基准有限元模型构建方法技术

一种基于时变温度响应的桥梁结构概率基准有限元模型构建方法，本发明专利技术涉及桥梁结构概率基准有限元模型构建方法。本发明专利技术为了解决时变温度响应影响下，实际桥梁结构材料参数及节点连接刚度往往随环境温度的变化而改变，使得桥梁结构模态参数不再具有唯一性的缺点。本发明专利技术包括：一：建立桥梁结构模态参数与环境温度的特征样本集合，并依据高斯分布形式进行聚类分组；二：分别建立桥梁结构有限元模型及克里金模型；三：对桥梁结构有限元模型的修正参数均值进行修正，建立桥梁结构的基准有限元模型；四：确定概率基准有限元模型修正参数的初值；五：建立桥梁结构的概率基准有限元模型。本发明专利技术用于桥梁结构损伤诊断领域。

A finite element model construction method for probabilistic reference of bridge structure based on time varying temperature response

A method for constructing probabilistic finite element model of bridge structure based on time varying temperature response is presented, which relates to construction method of finite element model for bridge structure probabilistic benchmark. The present invention in order to solve the time-varying temperature response of material under the influence of the actual bridge structure parameters and connection stiffness often change with the ambient temperature change, the modal parameters of bridge structures is not only the disadvantages. The invention includes a feature sample build modal parameters of bridge structures and environmental temperature collection, and on the basis of clustering Gaussian distribution; 2: establish bridge finite element model and Kriging model; 3: on the finite element model modification parameters mean correction, baseline finite element modeling of bridge structure; 4: determine the initial baseline finite element model of probability correction parameters; 5: establish the finite element model of the bridge structure reference probability. The invention is used in the field of bridge structural damage diagnosis.

【技术实现步骤摘要】
一种基于时变温度响应的桥梁结构概率基准有限元模型构建方法
本专利技术涉及基于时变温度响应的桥梁结构概率基准有限元模型构建方法。
技术介绍
桥梁结构的安全与人们的出行安全息息相关，如何准确地诊断桥梁结构状态以保障人们的出行安全显得尤为重要。随着结构健康监测技术的快速发展，在桥梁结构中建立结构健康监测系统被视为保障桥梁结构安全运营的一种有效手段。通常利用结构健康监测系统进行桥梁结构的损伤诊断的方式有两种，一种是基于数据驱动的方法，另一种是基于模型驱动的方法。在基于模型驱动的桥梁结构损伤识别方法中，一个准确描述桥梁结构状态的基准有限元模型是必不可少的。然而，现有的基准有限元模型通常是通过有限元模型修正来获得的，其假定结构的每个参数只有一个真实值，然而，对于一座实际桥梁的健康监测项目而言，由于监测时间长，温度响应可以作为一个时变函数，同时模态参数会受温度的影响而变化。因此，用一个确定的值来描述时变温度响应下的模态参数是不合理的。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决传统基准有限元模型无法描述时变温度响应下桥梁结构模态参数概率分布的问题，而提出一种基于时变温度响应的桥梁结构概率基准有限元模型构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于时变温度响应的桥梁结构概率基准有限元模型构建方法，其特征在于：所述基于时变温度响应的桥梁结构概率基准有限元模型构建方法包括以下步骤：步骤一：建立桥梁结构模态参数与环境温度的特征样本集合，并依据高斯分布形式进行聚类分组；步骤二：针对步骤一得到的不同聚类组，分别建立桥梁结构有限元模型及克里金模型；步骤三：使用步骤二建立的克里金模型及遗传算法，对步骤二建立的桥梁结构有限元模型的修正参数均值进行修正，建立桥梁结构的基准有限元模型；步骤四：根据步骤三建立的桥梁结构基准有限元模型，确定概率基准有限元模型修正参数的初值；步骤五：根据步骤四所确定的修正参数初值，对步骤三建立的桥梁结构的基准有限元模型的...

【技术特征摘要】
1.一种基于时变温度响应的桥梁结构概率基准有限元模型构建方法，其特征在于：所述基于时变温度响应的桥梁结构概率基准有限元模型构建方法包括以下步骤：步骤一：建立桥梁结构模态参数与环境温度的特征样本集合，并依据高斯分布形式进行聚类分组；步骤二：针对步骤一得到的不同聚类组，分别建立桥梁结构有限元模型及克里金模型；步骤三：使用步骤二建立的克里金模型及遗传算法，对步骤二建立的桥梁结构有限元模型的修正参数均值进行修正，建立桥梁结构的基准有限元模型；步骤四：根据步骤三建立的桥梁结构基准有限元模型，确定概率基准有限元模型修正参数的初值；步骤五：根据步骤四所确定的修正参数初值，对步骤三建立的桥梁结构的基准有限元模型的修正参数协方差进行修正，建立桥梁结构的概率基准有限元模型。2.根据权利要求1所述的一种基于时变温度响应的桥梁结构概率基准有限元模型构建方法，其特征在于：所述步骤一中建立桥梁结构模态参数与环境温度的特征样本集合，并依据高斯分布形式进行聚类分组的具体过程为：步骤一一、利用连续采集技术，收集一段监测期内桥梁的加速度数据及环境温度数据；步骤一二、使用特征值识别算法对每小时采集的加速度数据进行模态参数识别，模态参数为前P阶固有频率信息fM，及对应的每小时的温度信息T；步骤一三、构建特征样本集合Θ＝[T,fM]，特征样本集合由P+1维连续随机分布且概率密度ζ(Θ)样本构成；所述P为固有频率模态阶数的总数；步骤一四、计算概率密度ζ(Θ)；其中，τδ表示第δ聚类组的混合比例，Υ是聚类组的总数，Φδ(Θ|μδ,Γδ)是第δ聚类组以均值μδ和协方差Γδ构成的多元高斯分布；步骤一五、结合MATLAB软件使用期望最大化算法求解公式(1)，得到聚类分析后的数据Θ，得到聚类后的模态参数，即前P阶固有频率信息fM。3.根据权利要求2所述的一种基于时变温度响应的桥梁结构概率基准有限元模型构建方法，其特征在于：所述步骤二中建立桥梁结构有限元模型及克里金模型的具体过程为：步骤二一、使用ANSYS软件，建立桥梁结构的有限元模型；步骤二二、确定修正参数θ，修正参数θ包括受温度影响的结构的混凝土弹性模量及钢材的弹性模量及边界条件；步骤二三、确定模态参数变量f(θ)，模态参数变量f(θ)为桥梁结构的前P阶的频率信息；步骤二四、采用中心复合设计方法，并结合ANSYS建立的有限元模型，获取克里金模型的采样集合[θ,f(θ)]；步骤二五、克里金模型的数学表达式如下：其中是f(θv)的估计值，趋势项ξ(θv)是含有灵敏度系数β的多项式，随机变量γ(θv)均值为0；步骤二六、确定克里金模型的灵敏度系数β，结合MATLAB软件，构建有限元模型的输入与输出的数学函数关系即为克里金模型：步骤二七、随机生成50～100个检测样本，使用总体平方和检验算法对克里金模型的精度进行评估；步骤二八、重复执行步骤二六至步骤二七，调整克里金模型的灵敏度系数β，直到Kriging模型的精度满足要求为止。4.根据权利要求3所述的一种基于时变温度响应的桥梁结构概率基准有限元模型构建方法，其特征在于：所述步骤三中建立桥梁结构的基准有限元模型的具体过程为：步骤三一、通过步骤一对频率信息fM进行分类，获取分类后第i阶模态的监测频率均值步骤三二、确定修正参数的均值向量通过建立的克里金模型，计算得到第i阶模态的解析频率的均值步骤三三、计算监测结果与解析结果的偏差ε，其计算公式如下：步骤三四、计算权矩阵Wε，其计算公式如下：Wε＝[diag([Cov(fM)])]-1(4)其中[diag(·)]和diag(·)分别代表对角阵和矩阵的主对角元素；步骤三五、计算正则化后的权矩阵Wθ，其计算公式如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：张绍逸，刘洋，曹建新，周正，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23