[发明专利]一种基于温度-位移关系模型的桥梁伸缩缝性能预警方法

说明书

本发明属于土木工程结构健康监测领域，提出了一种基于温度‑位移关系模型的桥梁伸缩缝性能预警方法。首先，提出了典型相关温度以最大化桥梁温度场和伸缩缝位移之间的相关性；其次，基于典型相关温度构建桥梁伸缩缝的温度‑位移关系模型；接着，对温度‑位移关系模型的误差建立均值控制图；最后，确定均值控制图的合理控制限。基于典型相关温度可构建更准确的温度‑位移关系模型，对提升伸缩缝的性能预警能力具有重要价值。

技术领域

本发明属于土木工程结构健康监测领域，提出了一种基于温度-位移关系模型的桥梁伸缩缝性能预警方法。

背景技术

伸缩缝是大跨桥梁的关键部件，主要用于缓和由于温度变化、风与车辆荷载等引起的主梁纵向运动。一般情况下，伸缩缝的使用寿命远低于桥梁的服役寿命，过早的性能退化会对桥梁造成诸多不利影响。例如，对主梁纵向运动的限制会引起梁端破坏，伸缩缝密封能力下降会导致混凝土钢筋或钢构件腐蚀等。因此，基于实时监测数据建立伸缩缝性能预警方法，对于掌握伸缩缝的使用性能和确保桥梁的运营安全具有重要的现实意义。

研究表明，伸缩缝位移主要由桥梁温度场变化引起。因此，基于已有长期监测数据，可建立桥梁温度场和伸缩缝位移间的关系模型，若新的监测数据不符合该模型即表明伸缩缝出现性能退化。建立桥梁伸缩缝的温度-位移关系模型，其关键在于如何定量描述桥梁温度场，即通过众多温度传感器采集的监测数据计算表征温度。当前，传统的表征温度计算方法主要包括三类，分别为：有效温度、平均温度和温度主成分。本质上讲，表征温度属于温度监测数据的线性组合。然而，传统表征温度的计算过程只关注温度监测数据本身，并未考虑桥梁温度场和伸缩缝位移的相关性。若能确定一组线性组合系数，使得桥梁温度场和伸缩缝位移的相关性最大，则相应的表征温度更适合建立温度-位移关系模型。基于此建立的伸缩缝性能预警方法将更具实用价值。

发明内容

本发明旨在提出一种全新的温度-位移关系模型，并基于此建立桥梁伸缩缝的性能预警方法。其技术方案是：首先，计算典型相关温度以最大化桥梁温度场和伸缩缝位移之间的相关性；其次，基于典型相关温度构建桥梁伸缩缝的温度-位移关系模型；接着，对温度-位移关系模型的误差建立均值控制图；最后，确定均值控制图的合理控制限。

一种基于温度-位移关系模型的桥梁伸缩缝性能预警方法，步骤如下：

步骤一：计算典型相关温度

(1)令T＝[T₁,T₂,...,T_m]^T为桥梁结构健康监测系统中m个温度测点的某测量样本，D＝[D₁,D₂,...,D_n]^T为n个伸缩缝位移的某测量样本，计算温度和位移监测数据的协方差矩阵和互协方差矩阵如下：

式中：T(t)表示第t个温度测量样本；表示温度数据的均值向量；D(t)表示第t个位移测量样本；表示位移数据的均值向量；l表示样本个数；R_TT表示温度数据的协方差矩阵；R_DD表示位移数据的协方差矩阵；R_TD表示温度和位移数据的互协方差矩阵；R_DT表示位移和温度数据的互协方差矩阵。

(2)存在一对基向量u₁和v₁，使温度的线性组合与位移的线性组合的相关性最大，其相关系数为：

(3)求解基向量的组合系数可描述为优化问题：