本發(fā)明具體涉及一種基于反分析的PC簡支梁橋預(yù)應(yīng)力損失識(shí)別方法，屬于服役橋梁實(shí)際狀態(tài)分析技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

對(duì)服役多年的PC混凝土簡支梁橋而言，在汽車荷載、溫度、混凝土收縮徐變等作用的共同影響下，梁體強(qiáng)度、剛度退化程度日益嚴(yán)重，已對(duì)其安全性、使用性、耐久性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，此類橋梁主要病害表現(xiàn)為裂縫的不斷出現(xiàn)、擴(kuò)展，梁體下?lián)犀F(xiàn)象明顯。為此，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此類病害進(jìn)行了深入地研究。分析表明，其中梁體預(yù)應(yīng)力損失是引起預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)開裂、下?lián)系闹饕蛩刂?。目前，?duì)梁體預(yù)應(yīng)力損失的成因、組成、解決措施等方面的研究比較多，同時(shí)，國內(nèi)規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62-2004)給出了預(yù)應(yīng)力損失各項(xiàng)的理論計(jì)算公式。但對(duì)在役PC混凝土簡支梁橋而言，需要考慮橋梁結(jié)構(gòu)服役期間的實(shí)際狀態(tài)，不能通過簡單地套用理論計(jì)算公式得到不同時(shí)間點(diǎn)梁橋結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力損失值。目前，國內(nèi)外針對(duì)預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失識(shí)別方面的相關(guān)研究還比較少。如何跟蹤并準(zhǔn)確預(yù)測橋梁服役期間梁體預(yù)應(yīng)力損失是急需解決的一個(gè)工程實(shí)際問題。

20世紀(jì)70年代末，巖土工程領(lǐng)域提出了以現(xiàn)場實(shí)測得到的反映結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等物理量為依據(jù)的反分析法。反分析法不但可以用于結(jié)構(gòu)模型辨識(shí)，還可以用于結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)。結(jié)構(gòu)模型辨識(shí)是通過觀測信息的變形規(guī)律辨識(shí)出與結(jié)構(gòu)實(shí)際變形規(guī)律最接近的最優(yōu)模型。結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)是根據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，建立反演模型，分析到模型參數(shù)、幾何參數(shù)、初始應(yīng)力等物理力學(xué)參數(shù)。利用反分析方法可以獲取實(shí)際結(jié)構(gòu)真實(shí)的技術(shù)參數(shù)，以便利用分析得到的參數(shù)更加可靠、準(zhǔn)確地分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移等，并對(duì)結(jié)構(gòu)使用期間的力學(xué)行為進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，同時(shí)，可以存在的問題反饋到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工，進(jìn)而更好地指導(dǎo)設(shè)計(jì)、施工等過程。但是這種方法分析過程比較復(fù)雜，耗時(shí)長，受現(xiàn)場條件及室內(nèi)試驗(yàn)條件限制，具有局限性，實(shí)際應(yīng)用難度很大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明皆在提供一種準(zhǔn)確、可靠，可以跟蹤并準(zhǔn)確預(yù)測橋梁服役期間梁體預(yù)應(yīng)力損失的基于反分析的PC簡支梁橋預(yù)應(yīng)力損失識(shí)別方法，所述方法為，

建立有限元模型，以PC簡支梁橋預(yù)應(yīng)力損失作為待求參數(shù)，初始向量化PC簡支梁橋預(yù)應(yīng)力損失，進(jìn)行有限元分析計(jì)算；

根據(jù)有限元分析計(jì)算結(jié)果，結(jié)合梁體實(shí)測撓度值，進(jìn)行反分析計(jì)算，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)，判斷是否收斂；

如果收斂，則輸出PC簡支梁橋預(yù)應(yīng)力損失識(shí)別結(jié)果；

如果不收斂，則返回有限元模型進(jìn)行迭代計(jì)算。

進(jìn)一步的，所述方法中反分析計(jì)算的目標(biāo)函數(shù)為，

式中，k為梁體實(shí)測撓度數(shù)量；u_i為梁體撓度觀測值；v_i為梁體撓度模擬計(jì)算值。

進(jìn)一步的，所述方法中以一束鋼絞線所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失作為待求參數(shù)。

進(jìn)一步的，所述方法中梁體實(shí)測撓度數(shù)量大于待求參數(shù)數(shù)量。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提出的以反分析理論的PC混凝土簡支梁橋預(yù)應(yīng)力損失識(shí)別分析方法，以橋梁結(jié)構(gòu)服役期間的實(shí)際狀態(tài)為出發(fā)點(diǎn)，避免了采用理論計(jì)算計(jì)算與結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)存在的偏差問題，更加符合情況，計(jì)算結(jié)果也更加準(zhǔn)確、可靠。此外，該方法也避免了采用室內(nèi)試驗(yàn)或現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失測試存在的局限性，彌補(bǔ)上述各種方法的不足。本發(fā)明提出的方法為在役預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失識(shí)別提供了一條新的思路，可為其損傷評(píng)價(jià)提供可靠的分析參數(shù)，具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明反分析方法流程圖；

圖2為實(shí)施例1中有限元模型示意圖；

圖3至圖8分別為實(shí)施例1中觀測時(shí)間為A、B、C、D、E、F時(shí)的預(yù)應(yīng)力損失迭代變化規(guī)律示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行說明：

本發(fā)明提出的以反分析理論為基礎(chǔ)，根據(jù)PC混凝土簡支梁橋服役期間實(shí)測撓度值進(jìn)行預(yù)應(yīng)力損失識(shí)別時(shí)，可以解決橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)與理論計(jì)算公式之間脫節(jié)的問題，更加符合實(shí)際情況，計(jì)算結(jié)果也更加準(zhǔn)確、可靠。

采用本發(fā)明提出的方法進(jìn)行預(yù)應(yīng)力損失識(shí)別時(shí)，通過提高觀測精度來控制觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響，此外，采用本發(fā)明進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失識(shí)別時(shí)，能夠得到梁體綜合預(yù)應(yīng)力損失，在橋梁結(jié)構(gòu)整體分析計(jì)算時(shí)可以滿足要求。

反分析基本原理為：

反分析實(shí)際上是一個(gè)目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化問題，它是通過迭代目標(biāo)誤差函數(shù)，逐次修正待求參數(shù)的試算值，直到獲得最優(yōu)解。對(duì)于線彈性問題中，待求參數(shù)與觀測數(shù)據(jù)可建立式(1)的線形方程組：

[K]{x}＝{y} (1)

式中，[K]為與待求參數(shù)有關(guān)的剛度矩陣；{x}為某一待求參數(shù)向量；{y}為與觀測數(shù)據(jù)有關(guān)的已知向量。

設(shè)獨(dú)立觀測的數(shù)據(jù)數(shù)量為m，待求參數(shù)總數(shù)為n，觀測數(shù)據(jù)的最優(yōu)估計(jì)值U_i與觀測值之間的誤差為ε_i，則有：

當(dāng)獨(dú)立觀測數(shù)據(jù)數(shù)量大于待求參數(shù)數(shù)量時(shí)，即m＞n時(shí)，目標(biāo)函數(shù)可以定義為：

為了使目標(biāo)函數(shù)最小，需滿足的條件為：

將式(4)代入式(3)，經(jīng)處理展開得到其正則方程基本表達(dá)式及矩陣形表達(dá)式：

[K]^T[K]{x}＝[K]^T{y} (6)

式(6)經(jīng)變換后，即可得到求解參數(shù)的基本表達(dá)式：

{x}＝([K]^T[K])^-1[K]^T{y} (7)

橋梁預(yù)應(yīng)力損失反演識(shí)別為：

(1)橋梁參數(shù)反演流程

對(duì)于在役PC混凝土簡支梁橋，由于受試驗(yàn)方法、條件、手段等因素的限制，很少進(jìn)行在役橋梁預(yù)應(yīng)力損失試驗(yàn)及測試。為此，以反分析理論為基礎(chǔ)的橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別是一種理想的分析方法。該方法的分析流程如圖1所示。

(2)目標(biāo)函數(shù)的建立

在PC混凝土簡支梁橋預(yù)應(yīng)力損失反演分析中建立如下的目標(biāo)函數(shù)：

式中，k為梁體實(shí)測撓度數(shù)量；u_i為梁體撓度觀測值；v_i為梁體撓度模擬計(jì)算值。為了減小觀測方法、儀器設(shè)備、人為等因素帶來的誤差影響，梁體實(shí)測撓度的數(shù)量必須大于待求參數(shù)數(shù)量。

(3)目橋梁反演參數(shù)的選取

由于預(yù)應(yīng)力損失對(duì)PC混凝土簡支梁橋的位移影響較大，是評(píng)價(jià)其剛度大小的重要參數(shù)。為此，選取預(yù)應(yīng)力損失作為反演參數(shù)進(jìn)行反演分析。對(duì)于PC混凝土簡支梁橋，由于混凝土收縮、徐變、構(gòu)造、施工等因素的影響，預(yù)應(yīng)力損失不是恒定的，其空間分布是不規(guī)律的。為了簡化分析，假定同一束鋼絞線沿程產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失為一恒定值，為一“綜合值”，體現(xiàn)各種因素對(duì)撓度的共同影響。從結(jié)構(gòu)整體分析角度考慮，這種預(yù)應(yīng)力損失簡化是可行的。

實(shí)施例1

某一三跨預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋(40.0m+40.0m+40.0m)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為公路-I級(jí)，截面形式為T梁，主梁混凝土標(biāo)號(hào)為C50，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用15.24mm鋼絞線。用于反演計(jì)算的梁體服役期間不同時(shí)間點(diǎn)實(shí)測撓度如表1所示。梁體預(yù)應(yīng)力損失識(shí)別分析有限元模型如圖2所示。

表1

以梁體服役期間主要截面不同時(shí)間點(diǎn)實(shí)測撓度進(jìn)行反演分析，梁體預(yù)應(yīng)力損失反演結(jié)果如圖3至圖8所示。

通過分析可知，隨著梁體撓度的不斷增大，梁體預(yù)應(yīng)力損失逐漸增大。對(duì)應(yīng)于梁體不同觀測時(shí)間A、觀測時(shí)間B、觀測時(shí)間C、觀測時(shí)間D、觀測時(shí)間E、觀測時(shí)間F，梁體預(yù)應(yīng)力損失分別為17％、18％、20％、22％、25％、29％。

本發(fā)明提出了以反分析理論為基礎(chǔ)，通過建立參數(shù)反演分析程序，根據(jù)預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)服役期間不同時(shí)間點(diǎn)主要截面實(shí)測撓度值，對(duì)梁體預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行反演識(shí)別。本發(fā)明提出的方法為在役預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失識(shí)別提供了一條新的思路，可為其損傷評(píng)價(jià)提供可靠的分析參數(shù)，具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。