本發(fā)明涉及橋梁溫度測(cè)量，更具體地，涉及一種基于平均條件超越率函數(shù)的橋梁溫度梯度模式評(píng)估方法。

背景技術(shù)：

1、在現(xiàn)有技術(shù)中，由于橋梁結(jié)構(gòu)處于大氣環(huán)繞的空間內(nèi)，不可避免地要受到各種環(huán)境，諸如：陽(yáng)光輻射、周圍環(huán)境氣溫變化等因素的影響，使得結(jié)構(gòu)的溫度發(fā)生變化，由此在橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生了非均勻的溫度場(chǎng)。并且由于混凝土材料的熱脹冷縮的性質(zhì)，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度變形，當(dāng)變形受到結(jié)構(gòu)內(nèi)部纖維的約束和超靜定約束時(shí)，結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的溫度應(yīng)力。理論和試驗(yàn)研究表明，在大跨度混凝土箱形梁，特別是超靜定結(jié)構(gòu)體系如連續(xù)梁橋、連續(xù)剛構(gòu)橋中，溫度應(yīng)力可以達(dá)到甚至超過(guò)汽車荷載的應(yīng)力，已被認(rèn)為是使主梁產(chǎn)生裂縫的主要原因。

2、此外，盡管現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外橋梁規(guī)范已經(jīng)提供了溫度梯度模式考慮結(jié)構(gòu)本身的熱效應(yīng)，但是，現(xiàn)有的溫度梯度模式是基于上世紀(jì)最后幾十年某些地區(qū)積累的氣候數(shù)據(jù)建立的，這些所提出的規(guī)范不足以準(zhǔn)確地描述不同區(qū)域的橋梁的溫度梯度。此外，橋梁在不同的設(shè)計(jì)時(shí)期受到不同的溫度梯度的影響，并且溫度數(shù)據(jù)間是具有相關(guān)性的。隨著橋梁健康監(jiān)測(cè)(shm)系統(tǒng)的發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者基于shm監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)研究箱梁截面的溫度梯度模式分布，研究表明箱梁沿截面的溫度分布大致呈指數(shù)函數(shù)形式，同時(shí)，利用經(jīng)典極值理論方法進(jìn)行極值外推獲得重現(xiàn)期50或100年的溫差極值。經(jīng)典極值理論方法的假設(shè)條件是樣本數(shù)據(jù)滿足獨(dú)立同分布，然而，實(shí)際工程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通常并不是獨(dú)立同分布的，因此，基于經(jīng)典極值理論方法估計(jì)的溫度梯度代表值可能會(huì)產(chǎn)生誤差，進(jìn)而獲取的箱梁截面的溫度梯度模式分布的準(zhǔn)確性也有待商榷。

3、綜上，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提出一種準(zhǔn)確評(píng)估考慮橋梁設(shè)計(jì)期和溫度相關(guān)性的溫度梯度模式方法對(duì)于大跨度橋梁的設(shè)計(jì)和維護(hù)至關(guān)重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在克服上述現(xiàn)有技術(shù)的至少一種缺陷(不足)，提供一種基于平均條件超越率函數(shù)的橋梁溫度梯度模式評(píng)估方法，用于解決現(xiàn)有的溫度梯度模式所提出的規(guī)范不足以準(zhǔn)確描述不同地區(qū)的橋梁溫度梯度，以及基于經(jīng)典極值理論方法估計(jì)的溫度梯度代表值會(huì)產(chǎn)生誤差導(dǎo)致所獲取的橋梁溫度梯度準(zhǔn)確性低的問(wèn)題。

2、本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，一種基于平均條件超越率函數(shù)的橋梁溫度梯度模式評(píng)估方法，所述方法包括：

3、s1：通過(guò)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集橋梁待測(cè)截面的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)歷史結(jié)構(gòu)溫度；

4、s2：將采集到的截面不同部位同一時(shí)刻的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行差運(yùn)算，并將其按天取最大值，得到頂板和底板的豎向溫差以及腹板橫向溫差的日溫差最大值樣本；

5、s3：對(duì)日溫差最大值樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用曲線擬合獲得相應(yīng)的溫度梯度模式；

6、s4：將溫度梯度模式中的所有溫度梯度函數(shù)中的統(tǒng)計(jì)指數(shù)參數(shù)進(jìn)行均值運(yùn)算，得到均勻指數(shù)參數(shù)；

7、s5：建立日溫差數(shù)據(jù)相關(guān)性的平均條件超越率函數(shù)，利用尾部數(shù)據(jù)擬合外推，獲得橋梁設(shè)計(jì)周期內(nèi)的溫度極值；

8、s6：將步驟s4所獲得的均勻指數(shù)參數(shù)和步驟s5所獲得的橋梁設(shè)計(jì)周期內(nèi)的溫度極值，代入對(duì)應(yīng)部位所在的溫度梯度函數(shù)中進(jìn)行處理，獲得橋梁不同截面的溫度梯度分布模式。

9、本發(fā)明通過(guò)建立溫度相關(guān)性的平均條件超越率函數(shù)進(jìn)行擬合外推來(lái)得到橋梁設(shè)計(jì)周期內(nèi)的溫度極值，并且結(jié)合通過(guò)對(duì)所有溫度梯度函數(shù)對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)指數(shù)參數(shù)進(jìn)行均值運(yùn)算所得到的均勻指數(shù)參數(shù)，來(lái)提出了橋梁溫度梯度確定方法，既考慮了橋梁設(shè)計(jì)周期，又考慮了溫度相關(guān)性的影響，適用于梁橋所有部位的溫度評(píng)估任務(wù)，為后續(xù)梁橋設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

10、優(yōu)選地，在所述步驟s5中，還包括了劃定等距區(qū)間來(lái)獲得事件函數(shù)akj(θ)和bkj(θ)，并通過(guò)事件函數(shù)和定義置信區(qū)間來(lái)建立日溫差數(shù)據(jù)相關(guān)性的平均條件超越率函數(shù)。

11、在本方案中利用考慮溫度數(shù)據(jù)相關(guān)性的平均條件超越率函數(shù)方法來(lái)估計(jì)結(jié)構(gòu)溫度梯度極值，能夠使結(jié)構(gòu)溫度梯度極值的計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，從而提高橋梁溫度梯度的準(zhǔn)確性，確保橋梁在各種環(huán)境條件下都能保持安全和穩(wěn)定。

12、優(yōu)選地，所述平均條件超越率函數(shù)為：

13、

14、其中，akj(θ)＝i{xj＞θ，xj-1≤θ，…，xj-k+1≤θ}，j＝k，…，n；k＝2，3…；k是相關(guān)性階數(shù)，n是數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，θ是事件函數(shù)的起始數(shù)據(jù)，xj是第j個(gè)隨機(jī)變量，函數(shù)i{τ}用來(lái)判斷隨機(jī)事件τ是否發(fā)生，若事件τ發(fā)生，則i{τ}＝1，否則i{τ}＝0。當(dāng)超越水平θ取值較大時(shí)，故將其平均條件超越率函數(shù)定義為：

15、

16、優(yōu)選地，通過(guò)平均條件超越率函數(shù)圖來(lái)得到判斷溫差數(shù)據(jù)的相關(guān)性階數(shù)k，若平均條件超越率函數(shù)∈k(θ)≠∈k+1(θ)≈∈k+2(θ)≈∈k+3(θ)≈...，則尾部數(shù)據(jù)的平均條件超越率函數(shù)趨于收斂，選用k+1階平均條件超越率函數(shù)進(jìn)行溫度極值預(yù)測(cè)。

17、優(yōu)選地，在所述步驟s5中，基于次漸近極值理論，所述尾部數(shù)據(jù)的擬合函數(shù)為：

18、∈k(θ)′≈qexp{-a(θ-b)c}，θ≥γ

19、其中，式中∈k(θ)′表示最大日溫差的平均條件超越率，γ表示用于進(jìn)行尾部趨勢(shì)擬合的起始數(shù)據(jù)，即建立尾部趨勢(shì)模型的數(shù)據(jù)起點(diǎn)，參數(shù)a，b，c和q是尾部數(shù)據(jù)擬合函數(shù)中的系數(shù)，其數(shù)值根據(jù)最大日溫差尾部數(shù)據(jù)的擬合曲線確定。

20、通過(guò)對(duì)橋梁尾部數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合外推來(lái)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出橋梁在設(shè)計(jì)周期內(nèi)未來(lái)結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)，為橋梁管理提供更加科學(xué)的依據(jù)，使得所提出的橋梁溫度梯度確定方法，既考慮了橋梁設(shè)計(jì)周期，又考慮了溫度相關(guān)性的影響，適用于梁橋所有部位的溫度評(píng)估任務(wù)，為后續(xù)梁橋設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，能夠采取相應(yīng)的預(yù)防性維護(hù)措施，延長(zhǎng)橋梁的使用壽命，并且還可以基于預(yù)設(shè)結(jié)果優(yōu)化維護(hù)極化和策略，提高維護(hù)效率和成本效益，同時(shí)通過(guò)及時(shí)的預(yù)測(cè)和外推，可以減少因未知因素導(dǎo)致的橋梁突發(fā)事件和事故的風(fēng)險(xiǎn)，提升橋梁的安全性和可靠性。

21、優(yōu)選地，在所述步驟s5中，還包括了對(duì)尾部數(shù)據(jù)擬合外推時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，所采用的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：

22、

23、其中，式中ρj＝(logci+(θj)-logci-(θj))-2表示權(quán)重系數(shù)；ci+和ci-分別表示置信區(qū)間的上界和下界；θ表示事件函數(shù)的起始數(shù)據(jù)。

24、在本方案中還對(duì)尾部數(shù)據(jù)擬合外推時(shí)進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)優(yōu)化使得擬合外推的結(jié)果更加準(zhǔn)確，從而進(jìn)一步提高了橋梁溫度梯度的準(zhǔn)確性。

25、優(yōu)選地，在所述步驟s6中，還包括將所述均勻指數(shù)參數(shù)替換掉溫度梯度函數(shù)中的統(tǒng)計(jì)指數(shù)參數(shù)。

26、在本方案中將均勻指數(shù)參數(shù)替換掉統(tǒng)計(jì)指數(shù)參數(shù)使得所獲得的溫度梯度分布模式與溫度具有更強(qiáng)的相關(guān)性，進(jìn)一步提高其準(zhǔn)確性。

27、優(yōu)選地，在步驟s1中，所述歷史結(jié)構(gòu)溫度包括了所測(cè)橋梁截面的頂板、底板和左右腹板的結(jié)構(gòu)溫度數(shù)據(jù)。

28、由于溫度是橋梁結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力的重要原因之一，通過(guò)測(cè)量不同部位的溫度數(shù)據(jù)可以全方位地了解橋梁各個(gè)結(jié)構(gòu)的溫度情況，得到更加準(zhǔn)確的橋梁溫度梯度，從而可以制定有效的維護(hù)策略和安全管理措施，確保橋梁的長(zhǎng)期運(yùn)行安全和可靠性。

29、優(yōu)選地，在步驟s2中，采集的截面不同部位同一時(shí)刻的溫度數(shù)據(jù)的天數(shù)n＞365天，采樣頻率為50hz。

30、在本方案中通過(guò)對(duì)溫度采集的天數(shù)大于一年，同時(shí)還設(shè)置了相應(yīng)的采樣頻率來(lái)保證采集到的溫度數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)完備性。

31、優(yōu)選地，在所述步驟s3中，所述溫度梯度函數(shù)包括了橋梁豎向溫度梯度分布和腹板橫向溫度梯度分布；所述橋梁豎向溫度梯度分布和腹板橫向溫度梯度分布均采用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行曲線擬合。

32、豎向和橫向的溫度梯度分布通常不是簡(jiǎn)單的線性或平穩(wěn)函數(shù)，而是隨著距離或高度變化而呈現(xiàn)出指數(shù)形式的變化趨勢(shì)，采用指數(shù)函數(shù)可以更準(zhǔn)確地反映這種非線性的變化特征，從而預(yù)測(cè)未來(lái)時(shí)間段內(nèi)的溫度變化趨勢(shì)，通過(guò)理解豎向和橫向溫度梯度的實(shí)際分布情況，可以為橋梁的設(shè)計(jì)、建設(shè)、維護(hù)和安全評(píng)估提供重要的技術(shù)支持和數(shù)據(jù)依據(jù)。

33、另一方面，在本技術(shù)中還提供一種基于平均條件超越率方法的橋梁溫度梯度模式評(píng)估裝置，所述裝置包括：

34、溫度數(shù)據(jù)采集模塊：用于通過(guò)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集橋梁待測(cè)截面的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)歷史結(jié)構(gòu)溫度；

35、數(shù)據(jù)處理模塊：用于將采集到的截面不同部位同一時(shí)刻的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行差運(yùn)算，并將其按天取最大值，得到頂板和底板的豎向溫差以及腹板橫向溫差的日溫差最大值樣本；

36、曲線擬合模塊：用于對(duì)又?jǐn)?shù)據(jù)處理模塊所獲得的日溫差最大值樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用曲線擬合獲得相應(yīng)的溫度梯度函數(shù)類型；

37、均值運(yùn)算模塊：用于將所有溫度梯度函數(shù)中的統(tǒng)計(jì)指數(shù)參數(shù)進(jìn)行均值運(yùn)算，得到均勻指數(shù)參數(shù)；

38、擬合外推模塊：用于建立日溫差數(shù)據(jù)相關(guān)性的平均條件超越率函數(shù)，利用尾部數(shù)據(jù)擬合外推，獲得橋梁設(shè)計(jì)周期內(nèi)的溫度極值；

39、溫度梯度分布模式獲取模塊：用于將均值運(yùn)算模塊所獲得的均勻指數(shù)參數(shù)和擬合外推模塊所獲得的溫度極值輸入到對(duì)應(yīng)部位所在溫度梯度函數(shù)中進(jìn)行處理，得到橋梁不同截面的溫度梯度分布模式。

40、又一方面，本發(fā)明還提供一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時(shí)實(shí)現(xiàn)如上述任一種所述基于平均條件超越率函數(shù)的橋梁溫度梯度模式評(píng)估方法。

41、本發(fā)明還提供一種非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如上述任一種所述基于平均條件超越率函數(shù)的橋梁溫度梯度模式評(píng)估方法。

42、本發(fā)明還提供一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如上述任一種所述基于平均條件超越率函數(shù)的橋梁溫度梯度模式評(píng)估方法。

43、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

44、1、基于健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)，利用考慮溫度數(shù)據(jù)相關(guān)性的平均條件超越率方法估計(jì)結(jié)構(gòu)溫度梯度極值，能夠使結(jié)構(gòu)溫度梯度極值的計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確。

45、2、基于平均條件超越率方法的橋梁溫度梯度模式評(píng)估方法可以適用于不同地區(qū)不同結(jié)構(gòu)類型的橋梁，具有較高的普適性。