[发明专利]一种预应力混凝土结构的安全评估方法

说明书

本发明公开了一种预应力混凝土结构的安全评估方法。采用多种智能传感器对结构关键受力构件进行健康监测，包括：基于磁弹式应力传感器的预应力筋应力监测；基于导波技术的钢筋断裂、锈蚀监测；基于机器视觉和图像处理技术的混凝土表面裂缝监测。评估方法包括：基于监测数据，采用深度学习算法预测结构局部损伤程度和损伤位置；搭建并修正被测结构的多尺度有限元精细模型，将深度学习算法得到的损伤特征反映在有限元模型上；融合多源监测数据和多尺度有限元模型评估预应力混凝土结构整体安全状况。所提出的方法填补了预应力混凝土结构整体安全评估的空缺，拓展了深度学习算法在土木工程领域中的应用，为保证预应力混凝土结构的运营安全提供了保障。

技术领域

本发明属于建筑工程技术领域，涉及多尺度有限元建模、深度学习算法、结构健康监测技术。

背景技术

预应力混凝土结构是城镇基础设施的重要组成部分，然而随着使用年限的增加、结构使用条件及环境侵蚀等因素的影响，加之设计和施工的不当，将发生混凝土材料老化与结构损伤，导致结构性能劣化，承载力下降和耐久性降低。当前预应力混凝土结构面临的主要损伤类型包括：混凝土碳化、钢筋锈蚀、预应力筋松弛、混凝土表面开裂等，而损伤的产生通常是由于混凝土表面出现裂缝造成。钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性的首要因素，钢筋锈蚀膨胀造成的混凝土顺筋开裂、钢筋与混凝土粘结力下降、钢筋有效面积减小等，都会导致预应力混凝土结构承载力和安全性的丧失。预应力筋的应力松弛直接影响预应力混凝土结构的承载能力。裂缝作为最明显的病害类型，直接降低了混凝土结构的强度和刚度，影响了结构的美观性，同时使钢筋失去保护层而更容易发生锈蚀现象。

因此，建立一种有效的预应力混凝土结构安全评估方法尤为重要。针对预应力混凝土结构可能出现的钢筋锈蚀、预应力筋应力下降、混凝土表面裂缝开展等关键问题进行健康监测，并采取有效的方式评估局部损伤对结构整体承载能力的影响，及时预警结构存在的潜在隐患，对局部构件及时拆除和加固，避免灾难性事故的发生。

随着科技的进步，智能传感器和传感技术得到快速发展，相应的信号处理技术也越来越复杂。针对预应力混凝土结构的钢筋锈蚀监测，所采用的监测技术包括光纤pH传感器、超声导波传感器、声发射技术等等，超声导波技术由于检测范围长、效率高、精度好被广泛关注。磁弹式应力传感器在预应力筋的应力监测方面效果显著，所测量的预应力筋绝对应力准确且不受环境温度变化的影响，工程适用性强。而对于混凝土表面的裂缝监测，基于机器视觉和图像识别的成套技术近年来被广泛应用，其特点包括检测范围广，检测速度快，检测结果可视化程度高。并且对于一切高耸预应力混凝土结构的检测可采用无人机或爬壁机器人代替。

然而目前存在的结构监测方法仅针对结构的局部损伤特征进行提取，无法通过结构局部的损伤特征对结构整体的承载能力进行有效评估，目前尚未查到一种有效的结合多种结构局部损伤特征评估结构整体安全状况的方法和研究文献。申请号为201710054344.4的中国专利文献仅描述了桥梁局部裂缝的图像采集与裂缝特征提取，而未说明如何通过提取到的裂缝特征判断结构的安全状况。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术问题，提出一种预应力混凝土结构的安全评估方法，通过多种智能传感器对预应力混凝土结构的监测结果，结合多尺度有限元精细模型，分析结构整体的承载能力和安全状态，保证预应力混凝土结构运营期间的安全，防止灾难发生。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种预应力混凝土结构的安全评估方法，包括如下步骤：

S1：建立预应力混凝土结构的多尺度有限元精细化模型，提取结构的自然频率与模态振型，与该结构的实际测试结果进行对比并更新有限元模型；

S2：模拟预应力混凝土结构在长期运营荷载和极端荷载下的结构响应，提取结构关键受力构件的应力分布，为传感器的优化布置提供依据；

S3：采用多种智能传感器，监测结构关键受力构件的安全状况，构造监测数据样本集；