一种混凝土桥梁预应力和桥面荷载协同反演方法技术

本发明专利技术揭示了一种混凝土桥梁预应力和桥面荷载协同反演方法，包括1)通过模型分析预应力梁的刚度矩阵，提取包含预应力信息的几何刚度矩阵并转化为虚拟荷载；2)在有限元模型中，于桥面荷载和虚拟荷载的激励位置施加单位脉冲荷载，通过有限元模拟计算桥梁脉冲响应矩阵；3)将位移和转角传感器顺桥向布设在混凝土主梁的轴线，对桥梁进行荷载激励试验，同步采集梁的振动响应，利用模拟的脉冲响应矩阵和测量的振动响应建立识别方程；4)使用构造形函数方法求解并识别虚拟荷载与桥面荷载；5)通过识别的虚拟荷载和测量响应重构预应力。本方法以较低的成本和较高的精度，解决了混凝土梁体内预应力和桥面荷载的监测问题。

【技术实现步骤摘要】
一种混凝土桥梁预应力和桥面荷载协同反演方法
本专利技术属于结构健康监测
，具体涉及一种混凝土桥梁预应力和桥面荷载协同反演方法。
技术介绍
预应力混凝土桥梁在服役期间,环境侵蚀、材料老化、荷载长期效应、疲劳效应和突变效应等不利因素相互耦合，不可避免地发生预应力缺失,从而降低其抵抗自然灾害、甚至正常环境影响的能力,极端情况下可能引发灾难性的突发事故。不仅如此，大量超重货车带给桥梁持续、随机且超限的荷载压力，更加速了预应力结构的损伤。因此针对预应力和桥面荷载的准确识别成为预应力桥梁健康监测的重中之重。然而，由于引发预应力损失的因素复杂，现行规范提供的方法并不能精确计算；且动载往复作用下引起的结构疲劳效应与预应力的影响关系并未明确；迄今为止，尚未形成一套有效、快速的桥梁荷载与预应力识别理论与方法。实际工程应用中，亟需发展一种简单可行的协同识别技术以保障预应力桥梁的安全运营。
技术实现思路
为解决现有预应力桥梁体内预应力与桥面荷载难以低成本、高效率监测的难题，提出了一种混凝土桥梁预应力和桥面荷载协同反演方法，本方法以较低本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混凝土桥梁预应力和桥面荷载协同反演方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、通过分析预应力梁的刚度矩阵，将梁体内预应力转化为虚拟荷载；/n步骤2、在预应力梁有限元模型中去除预应力荷载形成原始梁模型，基于冲量定理，建立其脉冲响应矩阵；/n步骤3、将位移和转角传感器顺桥向布设在混凝土梁的轴线，同步收集桥面荷载激励下梁的振动响应，利用测量响应和模拟脉冲响应矩阵建立识别方程；/n步骤4、通过构造形函数方法快速求解方程，识别桥面荷载和虚拟荷载；/n步骤5、通过虚拟荷载和测量响应重构预应力。/n

【技术特征摘要】
1.一种混凝土桥梁预应力和桥面荷载协同反演方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、通过分析预应力梁的刚度矩阵，将梁体内预应力转化为虚拟荷载；
步骤2、在预应力梁有限元模型中去除预应力荷载形成原始梁模型，基于冲量定理，建立其脉冲响应矩阵；
步骤3、将位移和转角传感器顺桥向布设在混凝土梁的轴线，同步收集桥面荷载激励下梁的振动响应，利用测量响应和模拟脉冲响应矩阵建立识别方程；
步骤4、通过构造形函数方法快速求解方程，识别桥面荷载和虚拟荷载；
步骤5、通过虚拟荷载和测量响应重构预应力。


2.根据权利要求1所述的一种混凝土桥梁预应力和桥面荷载协同反演方法，其特征在于，在步骤1中，将梁体内预应力转化为虚拟外荷载，包括以下步骤：
步骤(1)、在单元坐标下，基于有限元原理将二维预应力梁单元的刚度矩阵划分解为基础刚度矩阵和几何刚度矩阵：



其中是预应力梁单元的刚度矩阵，其由普通梁单元刚度矩阵Kn,i减去包含预应力信息的几何刚度矩阵Kg,i求得；进一步地，可得到“预应力-虚拟荷载”转化原理如式(2)，即预应力梁单元的单元力Pi划分为普通梁单元力Pn,i和由几何刚度矩阵与单元位移xi耦合的单元虚拟荷载Pg,i；



具体地，虚拟荷载表述如下，其中Ti为单元预应力值，η为梁单元长度；



步骤(2)、在整体坐标下，针对桥面荷载作用下的简支梁模型，其离散化运动方程表述为式(4)；其中x,和分别为梁的位移、速度和加速度向量；M,和C是整体质量、刚度、阻尼矩阵；f是桥面荷载矩阵；



将步骤(1)所示“预应力-虚拟荷载”转化原理代入式(4)，则在整体坐标下，预应力简支梁的刚度项分解为普通简支梁刚度项Kx与整体虚拟荷载项P的差，将虚拟荷载项移项获得式(5)，



由此，桥面荷载作用下的简支梁运动转化为普通简支梁分别在桥面荷载作用和虚拟荷载作用下运动的叠加。


3.根据权利要求2所述的一种混凝土桥梁预应力和桥面荷载协同反演方法，其特征在于，在步骤2中，利用预应力梁的有限元模型去除预应力荷载后形成原始梁，基于冲量定理，建立其结构脉冲响应矩阵，包括以下步骤：
步骤1)，由冲量定理知，运动结构任意测点响应可由外荷载与相应的脉冲响应函数积分获得，离散化后如式(6)：



其中Y是结构位移响应，由测点测得；H是桥面荷载和虚拟荷载的脉冲响应组成的系统矩阵；
步骤2)，首先建立原始梁的有限元模型，以冲量定理为原理建立系统矩阵；其中桥面荷载的脉冲响应通过在桥面荷载激励过程中各时间点所在位置施加竖向单位脉冲荷载，计算测点响应获得...

【专利技术属性】
技术研发人员：项子儒，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32