基于车-桥梁耦合作用力修正的桥梁模型更新方法、系统、存储介质及设备技术方案

基于车

【技术实现步骤摘要】
基于车
‑
桥梁耦合作用力修正的桥梁模型更新方法、系统、存储介质及设备


[0001]本专利技术属于工程
，特别涉及公路桥梁有限元模型的精细化更新方法、系统及设备

技术介绍

[0002]以公路桥梁为代表的基础设施的快速发展，是中国经济持续增长的重要基石。公路桥梁作为重要的交通枢纽，对促进物资运输、改善偏远地区交通状况，实现区域经济发展具有重要意义。然而，随着国内外物流业务的极速扩张，重型、超重型运载情况时有发生，这种超过桥梁常规使用设计荷载的重载车辆，极可能使桥梁产生不可逆的损伤，严重影响桥梁设计使用周期内的安全性及耐久性。
[0003]近年来，由重载车辆造成的桥梁坍塌事故频繁出现，如2015年6月赣鄂高速河源匝道桥垮塌，桥梁设计荷载110t，实际重载荷载360t；2019年10月江苏无锡高架桥垮塌，桥梁设计荷载110t，实际重载车辆荷载183t。桥梁结构的垮塌与失效，不仅造成巨额的经济损失，更会造成恶劣的社会影响，因此，聚焦重载车辆过桥的安全评估问题尤为重要。重载车辆过桥安全性评估工作，离不开桥梁数值仿真计算，因此，能够真实描述结构实际损伤的有限元模型，是桥梁安全性评估首要解决的关键问题之一。但是现有的研究中并没有考虑这方面的因素而对桥梁模型进行更新，因此仿真时精确度较低，导致了桥梁安全性可能存在隐患。

技术实现思路

[0004]本专利技术是为了解决目前并没有针对桥梁模型的精细化更新方法，从而导致仿真精确度较低问题。
[0005]一种基于车
‑
桥梁耦合作用力修正的桥梁模型更新方法，包括以下步骤：
[0006]通过布设在桥梁结构上的传感器获得桥梁结构在重载车辆荷载作用下的桥梁结构动态响应；实测获得的桥梁结构动态响应包括桥梁竖向振动加速度及竖向挠度；
[0007]根据已重载车辆重心o处桥梁竖向振动加速度a
o
及竖向挠度y
o
，以及重载车辆速度u
车
，重构振动台台面响应，并获得车
‑
桥耦合模型的相互作用力；
[0008]建立桥梁结构非线性有限元模型，将车
‑
桥相互作用力作为外力，将桥梁结构动态响应作为结构响应，通过非线性参数识别方法，完成桥梁结构有限元模型的修正。
[0009]优选地，所述传感器布设位置为桥梁各跨主梁四分之一分点处。
[0010]优选地，实测获得的桥梁结构动态响应包括桥梁竖向振动加速度及竖向挠度的过程中需要通过插值方法获得重载车辆在过桥全过程时间内，重载车辆重心处桥梁竖向挠度变形及竖向振动加速度。
[0011]优选地，重构振动台台面响应并获得车
‑
桥耦合模型的相互作用力F的过程包括以下步骤：
[0012]将重载车辆停放至振动台上，在车轮底部布设测力板，将实际测得的桥梁结构动态响应重构作为响应量提供给振动台，使振动台产生与重载车辆过桥过程中车量重心所对应的桥梁结构动态响应相一致，通过测力板获得车
‑
桥耦合模型的相互作用力F；
[0013]优选地，通过非线性参数识别方法，完成桥梁结构有限元模型的修正的过程，采用能量守恒积分方法与UKF方法实现，其中采用能量守恒积分方法求解结构动力学问题，采用UKF方法进行桥梁数值模型更新；
[0014]所述采用能量守恒积分方法求解结构动力学问题的具体过程包括以下步骤：
[0015]桥梁非线性系统运动方程的时间离散形式如(1)所示
[0016][0017]其中，M、C为桥梁非线性系统质量、阻尼矩阵，x表示状态空间方程的状态变量，k为时间步，F
k
为k时刻车桥外界作用力，L为荷载位置矩阵，和x
k
为桥梁结构k时刻的加速度、速度和位移响应，R
k
(x)为k时刻桥梁非线性系统的非线性结构恢复力；
[0018]将参数离散点幅值扩展于状态量中，采用常加速度Newmark
‑
β法获得相邻时刻速度及加速度之间的关系，如公式(3)所示，通过离散的运动微分方程完成对桥梁有限元模型的参数识别；
[0019][0020]其中
△
t为时间步长，k为时间步；
[0021]根据公式(1)得到k+1为时间步的系统速度的表达式：
[0022][0023][0024]式中x
m
、F
m
和R
m
是k和k+1时间步长之间的平均速度、平均外力和平均恢复力；
[0025]系统运动方程(1)写成如下形式
[0026][0027]对公式(1)右乘(x
k+1
‑
x
k
)
T
之后，得到新的运动方程：
[0028][0029]将公式(8)视为能量转移过程，利用能量守恒积分方法求解结构动力学问题。优选地，桥桥梁非线性系统阻尼矩阵为瑞利阻尼矩阵：
[0030]C＝a1·
M+a2·
K
[0031]其中，a1和a2为瑞利阻尼系数，K是刚度矩阵。
[0032]优选地，所述的k和k+1时间步长之间的平均速度、平均外力和平均恢复力x
m
、F
m
和R
m
分别如下：
[0033][0034]一种基于车
‑
桥梁耦合作用力修正的桥梁模型更新系统，所述系统用于执行一种基于车
‑
桥梁耦合作用力修正的桥梁模型更新方法。
[0035]一种存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现一种基于车
‑
桥梁耦合作用力修正的桥梁模型更新方法。
[0036]一种设备，所述设备包括处理器和存储器，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现一种基于车
‑
桥梁耦合作用力修正的桥梁模型更新方法。
[0037]有益效果：
[0038]本专利技术以实车
‑
振动台混合试验为基础，以多自由度振动台模拟桥梁结构，准确拾取车
‑
桥相互作用力，在此基础上结合桥梁实测动态响应，通过非线性参数识别手段，完成桥梁有限元模型的精确修正，考虑桥梁真实情况，使桥梁数值模型与真实结构情况相吻合，桥梁数值模型的精确模拟，为桥梁后期运营与维护，特别是重在车辆过桥的安全性评估提供分析基础，对解决大件运输审核问题具有重要实际意义。
附图说明
[0039]图1为本专利技术所述的基于车
‑
桥梁耦合作用力修正的桥梁模型更新框架图；
[0040]图2为桥梁现场试验示意图；其中，j为桥梁第j跨，i为桥梁单元数，i＝1
…
4，Aji为桥梁第j跨第i个单元的实测动态响应，Lj为桥梁第j跨长度；
[0041]图3重载车辆重心o处桥梁结构动态响应获取过程；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于车
‑
桥梁耦合作用力修正的桥梁模型更新方法，其特征在于，包括以下步骤：通过布设在桥梁结构上的传感器获得桥梁结构在重载车辆荷载作用下的桥梁结构动态响应；实测获得的桥梁结构动态响应包括桥梁竖向振动加速度及竖向挠度；根据已重载车辆重心o处桥梁竖向振动加速度a
o
及竖向挠度y
o
，以及重载车辆速度u
车
，重构振动台台面响应，并获得车
‑
桥耦合模型的相互作用力；建立桥梁结构非线性有限元模型，将车
‑
桥相互作用力作为外力，将桥梁结构动态响应作为结构响应，通过非线性参数识别方法，完成桥梁结构有限元模型的修正。2.根据权利要求1所述的一种基于车
‑
桥梁耦合作用力修正的桥梁模型更新方法，其特征在于，所述传感器布设位置为桥梁各跨主梁四分之一分点处。3.根据权利要求2所述的一种基于车
‑
桥梁耦合作用力修正的桥梁模型更新方法，其特征在于，实测获得的桥梁结构动态响应包括桥梁竖向振动加速度及竖向挠度的过程中需要通过插值方法获得重载车辆在过桥全过程时间内，重载车辆重心处桥梁竖向挠度变形及竖向振动加速度。4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于车
‑
桥梁耦合作用力修正的桥梁模型更新方法，其特征在于，重构振动台台面响应并获得车
‑
桥耦合模型的相互作用力F的过程包括以下步骤：将重载车辆停放至振动台上，在车轮底部布设测力板，将实际测得的桥梁结构动态响应重构作为响应量提供给振动台，使振动台产生与重载车辆过桥过程中车量重心所对应的桥梁结构动态响应相一致，通过测力板获得车
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桥耦合模型的相互作用力F。5.根据权利要求4所述的一种基于车
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桥梁耦合作用力修正的桥梁模型更新方法，其特征在于，通过非线性参数识别方法，完成桥梁结构有限元模型的修正的过程，采用能量守恒积分方法与UKF方法实现，其中采用能量守恒积分方法求解结构动力学问题，采用UKF方法进行桥梁数值模型更新；所述采用能量守恒积分方法求解结构动力学问题的具体过程包括以下步骤：桥梁非线性系统运动方程的时间离散形式如(1)所示其中，M、C为桥梁非线性系统质量、阻尼矩阵，x表示状态空间方程的状态变量，k为时间步，F
k
为k时刻车桥外界作用力，L为...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁勇，张志强，刘剑，周彤，贾献卓，常英，朱斌，陈光，曾聪，
申请(专利权)人：中电建冀交高速公路投资发展有限公司，
类型：发明
国别省市：