第15章

群索結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)智能感知橋梁工程結(jié)構(gòu)智慧監(jiān)測——理論與實(shí)踐在斜拉橋服役若干年后，由于塔頂變位、基礎(chǔ)沉降、收縮徐變等因素的影響，實(shí)際索力與設(shè)計(jì)索力必然存在一定的偏差。大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)斜拉索體系的安全性評估，應(yīng)盡可能反映結(jié)構(gòu)當(dāng)前的工作狀態(tài)，并應(yīng)以結(jié)構(gòu)當(dāng)前的工作狀態(tài)為評判標(biāo)準(zhǔn)。目前工程中常用的索力評估方法是一種簡單的比較分析法，這種評估方法沒有建立合理的閥值體系，本質(zhì)上還是針對單索索力狀態(tài)的評判，不適用于總體索力評估。而群索索力大小可以一定程度上反映全橋內(nèi)力分布狀況，可作為結(jié)構(gòu)整體安全評估的依據(jù)和關(guān)鍵。本章擬從群索索力數(shù)據(jù)綜合分析的角度出發(fā)，利用蒙特卡羅方法結(jié)合影響矩陣方法建立群索索力的閥值體系，進(jìn)而給出基于相異測度的群索索力工作狀態(tài)智能感知方法。15.115.215.3群索體系索力狀態(tài)安全評估工程實(shí)例群索索力狀態(tài)實(shí)時感知軟件實(shí)現(xiàn)及平臺部署CONTENTS15.1群索體系索力狀態(tài)安全評估單索索力比較過程中，部分索力的相對變化值可以高達(dá)10%甚至更多。但是作為一個整體的受力體系而言，橋梁受力仍處于正常狀態(tài)。原因：橋梁的變形導(dǎo)致索力在全索面的重新分配引起，對受力體系的影響并不大。但，倘若每根索都發(fā)生細(xì)微的變化，在簡單進(jìn)行單索比較時不存在任何問題，有時卻無法滿足橋梁整體的受力要求。群索索力與橋梁整體內(nèi)力狀態(tài)的相關(guān)性斜拉橋是一種組合受力體系，結(jié)構(gòu)的恒載和活載是依靠群索、主梁和索塔的三者共同承擔(dān)的。斜拉橋主梁不僅承受較大的軸向壓力，而且也抵抗一定的彎矩作用。豎向荷載大部分靠斜拉索豎向分量來平衡。除索纜體系外的結(jié)構(gòu)的整體內(nèi)力分布、結(jié)構(gòu)靜力效應(yīng)和動力響應(yīng)，均與群索索力的整體分布具有較強(qiáng)的相關(guān)性；單根拉索的索力變化對結(jié)構(gòu)整體受力狀況的影響很小。群索索力與橋梁整體內(nèi)力狀態(tài)的相關(guān)性簡化斜拉橋模型示意圖群索索力與橋梁整體內(nèi)力狀態(tài)的相關(guān)性對于斜拉橋，忽略風(fēng)荷載的影響時，群索索力與結(jié)構(gòu)整體目標(biāo)力學(xué)量（外加荷載或作用、內(nèi)力、應(yīng)力或位移）之間的關(guān)系可以表述為：群索索力與橋梁整體內(nèi)力狀態(tài)的相關(guān)性同樣的，也可建立關(guān)系斜拉橋正常運(yùn)營狀態(tài)或承載能力狀態(tài)的目標(biāo)力學(xué)量與綜合施調(diào)向量之間的關(guān)系如下：Ctar——綜合施調(diào)向量D對應(yīng)于目標(biāo)力學(xué)量的影響矩陣；Star——目標(biāo)力學(xué)量，由斜拉橋中一些關(guān)鍵截面上的關(guān)鍵力學(xué)量所組成的列向量，包括截面內(nèi)力、應(yīng)力及位移等。群索索力與橋梁整體內(nèi)力狀態(tài)的相關(guān)性[Star]表示與目標(biāo)力學(xué)量相對應(yīng)的閥值或抗力列向量。而截面內(nèi)力、應(yīng)力及位移等關(guān)鍵力學(xué)量一般在設(shè)計(jì)階段被用來定義結(jié)構(gòu)整體的正常使用極限狀態(tài)或承載能力極限狀態(tài)，其功能方程Z（裕度）可由下式表示：群索索力與橋梁整體內(nèi)力狀態(tài)的相關(guān)性群索索力與橋梁整體內(nèi)力狀態(tài)的相關(guān)性群索索力與橋梁整體內(nèi)力狀態(tài)的相關(guān)性結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力狀態(tài)與群索索力緊密相關(guān)，任何一個反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)的目標(biāo)變量均可以近似表示成群索索力的線性組合。目標(biāo)量與群索索力通過綜合施調(diào)列向量D發(fā)生關(guān)系，故可以寫成群索索力的線性組合如下式：群索索力與橋梁整體內(nèi)力狀態(tài)的相關(guān)性進(jìn)而可以通過群索索力的樣本集合，來判別目標(biāo)量的情況，以此判斷結(jié)構(gòu)整體距離極限狀態(tài)的裕度Z。由于不均勻沉降作用、交通荷載、溫度分布的變化，斜拉索索力是不斷發(fā)生變化的，這也導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化。欲對結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，必須首先對群索索力向量進(jìn)行度量。此外，群索索力也是高維的，不便于進(jìn)行處理，需要利用向量的某種度量，來簡化判別分析。群索索力的相異測度度量在實(shí)際工程中，度量向量的最好手段就是相異測度或相似測度。相異測度就是一組衡量數(shù)據(jù)樣本之間相異性的指標(biāo)。相異測度：群索索力的相異測度度量異測度用作數(shù)據(jù)點(diǎn)的分類，即測度空間內(nèi)的相異標(biāo)簽子空間的邊界劃分時，常常希望這些相異測度具有最佳的類別區(qū)分能力，這可由如下準(zhǔn)則J2、J3和J4取值大小來評判。各相異測度性能評判準(zhǔn)則：上述準(zhǔn)則取值越大，測度的類內(nèi)分布就越小，類間分布越大，從而相異測度的空間劃分性能也就越好。群索索力的相異測度度量各相異測度性能評判準(zhǔn)則：群索索力度量的閥值體系將群索索力的相異測度度量作為評估指標(biāo)，還必須給出相應(yīng)的指標(biāo)閥值。由索絲材料強(qiáng)度確定的閥值對結(jié)構(gòu)評估沒有意義，必須由與結(jié)構(gòu)整體行為有關(guān)的結(jié)構(gòu)控制截面的目標(biāo)量來決定群索索力度量的閥值。對于斜拉橋，有明確設(shè)計(jì)限值的結(jié)構(gòu)狀態(tài)的目標(biāo)量有：主塔塔頂變位，主跨跨中撓度，主梁梁端轉(zhuǎn)角，主梁關(guān)鍵截面彎矩，塔梁結(jié)合部彎矩等。群索索力度量的閥值體系群索索力的閥值體系可以用反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)的目標(biāo)變量的閥值來間接地獲得，即式中，i代表下標(biāo)‘u,f’，‘u,c’，‘s,f’，‘s,c’。進(jìn)而，可得到群索索力的相異測度的閥值，對特定狀態(tài)下群索索力S的評估，就可以轉(zhuǎn)換為對群索索力相異測度的評估，用蒙特卡羅方法確定群索索力度量的閥值體系15.2工程實(shí)例工程背景本節(jié)以某大跨徑斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，該斜拉橋位于華南沿海地區(qū)，橋位處緯度低，日照時間長，季風(fēng)影響明顯且雨量充足，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。主橋是雙塔雙索面混合結(jié)構(gòu)斜拉橋，通航跨為鋼箱梁、錨跨為混凝土箱梁。主塔為鋼筋混凝土鉆石型結(jié)構(gòu)。每一索面有20對斜拉索，共計(jì)4×20=80對斜拉索。設(shè)計(jì)荷載為汽車-超20，掛車-120。自開始運(yùn)營至2010年止，該斜拉橋共經(jīng)過八次斜拉索索力檢測?？紤]到橋梁縱向并非完全對稱，故本節(jié)選取上游側(cè)兩個索面及下游側(cè)兩個索面的各80根拉索的索力值分別作為一個數(shù)據(jù)樣本，共計(jì)16個數(shù)據(jù)樣本。廣東省某跨海大橋目標(biāo)量閥值、影響矩陣及初始施調(diào)向量MidasCivil建立的有限元模型應(yīng)用蒙特卡羅方法確立群索索力閥值體系的關(guān)鍵問題之一求得與極限狀態(tài)相匹配的類標(biāo)簽。按最不利位置布置活載，計(jì)算得到全橋的承載能力極限狀態(tài)（以單側(cè)塔底截面彎矩為目標(biāo)變量）和正常使用極限狀態(tài)（以中跨跨中撓度為目標(biāo)變量）。通過初始優(yōu)化調(diào)索計(jì)算，得出初始施調(diào)向量和影響矩陣。目標(biāo)量閥值、影響矩陣及初始施調(diào)向量蒙特卡羅統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)交通流荷載的合理建模明顯不同于規(guī)范中車道荷載建模，既要模擬實(shí)際交通流作用在橋面上的隨機(jī)性，又不要拘泥于具體加載模式和隨機(jī)分布類型，從而簡化分析。1、將交通流模擬成80個獨(dú)立分布的隨機(jī)集中力，作用位置固定于拉索位置的主梁上，分布類型為[-70，210]之間的均勻分布。2、利用事先得到的影響矩陣代替隨機(jī)活荷載與群索索力及結(jié)構(gòu)目標(biāo)變量之間的復(fù)雜函數(shù)關(guān)系進(jìn)行蒙特卡羅仿真計(jì)算，次數(shù)5000次。蒙特卡羅統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)蒙特卡羅法仿真得到的群索索力樣本蒙特卡羅統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)蒙特卡羅法仿真得到的目標(biāo)變量相異測度比選及其閥值體系的確定假設(shè)該斜拉橋成橋階段為健康狀態(tài)，選擇成橋群索索力為基準(zhǔn)（數(shù)值通過通車前的竣工實(shí)驗(yàn)獲得，此時交通流可考慮為零，試驗(yàn)時的整體溫度為基準(zhǔn)溫度），計(jì)算相應(yīng)的相異測度，以及利用正常使用極限狀態(tài)功能方程得到的類標(biāo)簽。相異測度比選及其閥值體系的確定按分類能力大小排序，最好的測度是Canberra距離，其次是街區(qū)距離和歐式距離，而切比雪夫距離、角分離度和相關(guān)系數(shù)的J4準(zhǔn)則值很小，不適于用作標(biāo)簽數(shù)據(jù)的分類。相異測度比選及其閥值體系的確定針對實(shí)測群索數(shù)據(jù)的狀態(tài)評估為驗(yàn)證群索索力閥值體系的合理性和有效性，將八年來索力普查測得的群索索力數(shù)據(jù)樣本（上下游，共十六組）代入相異測度計(jì)算公式?；鶞?zhǔn)索力樣本選為竣工試驗(yàn)時上游側(cè)兩個索面的80根索組成的模式樣本?；谙喈悳y度指標(biāo)的實(shí)測群索索力狀態(tài)評估15.3群索索力狀態(tài)實(shí)時感知軟件實(shí)現(xiàn)及平臺部署感知函數(shù)的實(shí)現(xiàn)考慮到該實(shí)時感知算法是將索力向量樣本映射為一個標(biāo)量（相異測度），應(yīng)屬于科學(xué)計(jì)算類庫功能實(shí)現(xiàn)中“多通道監(jiān)測數(shù)據(jù)映射為單一感知指標(biāo)后，與感知指標(biāo)閥值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)感知功能”的范疇，故感知函數(shù)應(yīng)命名為singleDeeperComparisonofCableforce.m。感知函數(shù)的組件化及部署應(yīng)用以com.bridge.SHM.earlyWarning作為項(xiàng)目名，以SingleDeeperComparison作為Java類名，并導(dǎo)入singleDeeperComparisonofCableforce.m函數(shù)以及數(shù)據(jù)文件data.mat，