一种基于贝叶斯优化和附加质量的桥梁吊杆损伤识别方法技术

本发明专利技术公开了一种基于贝叶斯优化和附加质量法的桥梁吊杆损伤识别方法，该方法包括：首先在桥梁吊杆不同部位附加质量，获取桥梁吊杆在附加质量下的实测频率。基于结构力学理论建立刚度

【技术实现步骤摘要】
一种基于贝叶斯优化和附加质量的桥梁吊杆损伤识别方法


[0001]本专利技术涉及大跨桥梁吊杆安全评估领域，具体来说，涉及一种基于贝叶斯优化和附加质量的桥梁吊杆损伤识别方法。

技术介绍

[0002]桥梁吊杆是大跨悬索桥、斜拉桥和拱桥的重要组成部分。在受力传力方面，桥面板上的荷载通过吊杆传至塔架进而传至基础。因此，桥梁吊杆的物理参数如果发生变化，则会导致整个桥梁受力状态发生变化。质量轻、灵活性高、阻尼小的特点使桥梁吊架容易受损。具体而言，在风、车辆、行人和其他类型的荷载等循环和随机荷载作用下，随着使用时间的增加，桥梁吊杆不可避免地遭受累积损坏，如材料退化、腐蚀、过载和疲劳等。目前，对于桥梁吊杆损伤识别主要采用人工巡检方法，如人工手持探伤仪器进行检测，这种方法会造成大量的人力物力消耗，且当损伤在吊杆的顶部时，探伤仪器很难精准的识别损伤状态。因此，在桥梁施工期间的吊杆安装和运营期间，如何方便、快速、准确的识别桥梁吊杆的损坏状态是目前急需解决的问题。

技术实现思路

[0003]针对现有桥梁吊杆损伤识别方法的缺陷，本专利技术的目的在于建立一个方便、快速、准确的识别桥梁吊杆损伤方法。
[0004]为实现上述目的，本专利技术基于贝叶斯优化和附加质量的桥梁吊杆损伤识别方法，包括以下步骤：将桥梁吊杆划分n份，即在桥梁吊杆上存在n+1个节点；桥梁吊杆m个节点(m≤n+1)处附加不同质量，获取桥梁吊杆在附加质量下的实测频率值；基于结构力学理论建立刚度
‑
频率
‑
索力方程，得到不同节点不同附加质量下桥梁吊杆无损伤时其理论频率值；通过加速度计获取桥梁吊杆在附加质量下的实测频率值；以理论频率值和实测频率值之间的误差作为目标函数，该目标函数是关于吊杆刚度、索力损伤情况的函数，基于贝叶斯优化方法求解目标函数最小，获取吊杆刚度、索力的损伤情况。
[0005]上述技术方案中，进一步地，对桥梁吊杆按长度进行等分n个单元，通常n不应太小，太小不利于全局识别桥梁吊杆损伤情况，可以设置为大于5的数；在桥梁吊杆m个节点处附加不同质量(m<n+1)，通过加速度计获取桥梁吊杆在附加质量下的实测频率值；
[0006]基于结构力学理论建立吊杆自由振动方程：
[0007]其中，U为振动位移，为振动加速度；
[0008][0009][0010][0011]其中，M是全局质量矩阵，即M＝{M1,M2,
…
,M
n
}；K是全局刚度矩阵,即K＝{K1,K2,
…
,K
n
}；K
G
是单位张力产生的几何刚度矩阵；M
n
，K
n
，K
G
分别是第n个单元的质量矩阵、刚度矩阵和几何刚度矩阵；由单元矩阵可以组装成全局矩阵,θ
n
为第n份桥梁吊杆刚度损伤，其值在0
‑
1之间；ρ是吊杆材料密度，A是吊杆截面积，l是吊杆划分后的单元长度，E是吊杆弹性模量，I是吊杆材料惯性矩。
[0012]建立刚度
‑
频率
‑
索力方程，得到不同部位附加质量作用下桥梁吊杆理论频率值：
[0013][0014]其中，|
·
|为行列式；吊杆张力T；f
m
为第m种附加质量方法的实测频率值，共m种附加质量方法；α为桥梁吊杆索力损伤，其值在0
‑
1之间；M*1–
M*
m
是不同附加质量方法所对应的全局质量矩阵，如：第一种附加质量方法是在1号节点上附加m1的质量。则：M
′1＝M1+m1其中，m1为附加在1号节点上的质量大小。
[0015]在附加质量方法中，可以在吊杆结构的不同位置上加上附加质量，即可以在一个位置上放置质量，也可以在两个甚至多个位置上放置质量物。
[0016]当在桥梁吊杆不同部位附加质量后，通过加速度计获取桥梁吊杆在附加质量下的
实测频率值。
[0017]实测值包括理论计算值和误差项ε：
[0018][0019]以实测值和理论值的误差，作为目标函数：
[0020][0021]根据误差最小化原则进行求解：
[0022][0023]其中，ξ为损伤参数值，其包含刚度损伤和索力损伤，即ξ＝{θ1,θ2,
…
,θ
n
,α}；是含有未知参数的样本值。
[0024]考虑参数的不确定性，基于贝叶斯优化方法对目标函数进行采样来更新：
[0025]首先从目标函数中随机提取的t
‑
1个样本
[0026]选取贝叶斯优化算法中概率提高函数求取当前最佳损伤参数值：
[0027]ξ
+
＝arg max(μ(ξ
i
)
‑
min(J(ξ1),...,J(ξ
t
‑1)))
[0028]更新样本：
[0029][0030]重复(2)
‑
(3)步骤，直至迭代次数停止或者损伤参数值不再更新本专利技术的有益效果是：本专利技术通过附加质量方法获取桥梁吊杆在附加质量下的实测频率，并基于结构力学理论得到不同部位附加质量作用下桥梁吊杆理论频率值；以理论解和实测值之间的误差作为目标函数，基于贝叶斯优化方法确定吊杆刚度、索力的损伤情况。该方法能够快速且准确的识别吊杆损伤情况，能够用于大跨桥梁吊杆安全状态评估。
附图说明
[0031]图1为附加质量法试验过程示意图。
[0032]图2为基于贝叶斯优化的损伤评估流程。
[0033]图3为未知参数迭代过程
‑
案例二
[0034]图4为不同边界条件下目标函数迭代过程
‑
案例二。
具体实施方式
[0035]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及案例，对本专利技术进行进一步详细说明。
[0036]将桥梁吊杆等量划分成i份。
[0037]基于结构力学理论建立吊杆自由振动方程：
[0038][0039][0040][0041][0042]其中，M是全局质量矩阵；K是全局刚度矩阵；K
G
是单位张力产生的几何刚度矩阵；M
n
，K
n
，K
G
分别是第n个单元的质量矩阵、刚度矩阵和几何刚度矩阵；由单元矩阵可以组装成全局矩阵,θ
n
为第n份桥梁吊杆刚度损伤，其值在0
‑
1之间；ρ是吊杆材料密度，A是吊杆截面积，l是吊杆划分后的单元长度，E是吊杆弹性模量，I是吊杆材料惯性矩。
[0043]建立刚度
‑
频率
‑
索力方程，得到不同部位附加质量作用下桥梁吊杆理论频率值：
[0044][0045]其中，|
·
|为行列式；吊杆张力T；f...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于贝叶斯优化和附加质量的桥梁吊杆损伤识别方法，其特征在于，包括以下步骤：将桥梁吊杆划分n份，即在桥梁吊杆上存在n+1个节点；桥梁吊杆m个节点(m≤n+1)处附加不同质量，获取桥梁吊杆在附加质量下的实测频率值；基于结构力学理论建立刚度
‑
频率
‑
索力方程，得到不同节点不同附加质量下桥梁吊杆无损伤时其理论频率值；通过加速度计获取桥梁吊杆在附加质量下的实测频率值；以理论频率值和实测频率值之间的误差作为目标函数，该目标函数是关于吊杆刚度、索力损伤情况的函数，基于贝叶斯优化方法求解目标函数最小，获取吊杆刚度、索力的损伤情况。2.根据权利要求1所述的基于贝叶斯优化和附加质量的桥梁吊杆损伤识别方法，其特征在于，对桥梁吊杆按长度进行等分n个单元，在桥梁吊杆m个节点处附加不同质量(m<n+1)，通过加速度计获取桥梁吊杆在附加质量下的实测频率值；3.根据权利要求1所述的基于贝叶斯优化和附加质量的桥梁吊杆损伤识别方法，其特征在于，基于结构力学理论建立刚度
‑
频率
‑
索力方程，得到不同部位附加质量作用下桥梁吊杆频率值：频率值：频率值：其中，M是全局质量矩阵；K是全局刚度矩阵，其由n个单元刚度矩阵组成，即K＝[K1,K2,
…
K
n
]；K
G
是单位张力产生的几何刚度矩阵；|
·
|为行列式；T为吊杆索力；f
m
为第...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁杨，
申请(专利权)人：浙大城市学院，
类型：发明
国别省市：