基于长期挠度监测数据的混凝土桥梁刚度可靠度评估方法
基于长期挠度监测数据的混凝土桥梁刚度可靠度评估方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于±木工程结构可靠度评估技术领域，具体设及一种基于长期晓度监测 数据的混凝±桥梁刚度可靠度评估方法。
【背景技术】
[0002] 伴随着桥梁健康监测系统的大量建设，将长期监测数据与概率方法相结合已经成 为桥梁结构性能评估的重要发展方向。目前更多研究关注的是桥梁承载能力极限状态(安 全性)和抗疲劳性能的可靠度分析;在正常使用极限状态方面，则是通过建立监测数据与允 许限值间的关系，对桥梁的使用性能进行可靠度评估。
[0003] 车辆荷载作用下桥梁的晓度，即桥梁的整体刚度，是最能直接反应桥梁运营状态 的指标之一。然而，目前结合长期晓度监测数据进行桥梁可靠度评估的研究并不多，已有的 成果从构件层次着手，或者在建立可靠度功能函数时尚未考虑桥梁的理论设计状态，进而 导致桥梁刚度的评价结果与设计理想状态可比性不强。
【发明内容】
[0004] 本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种基于长期晓度监测数据的混凝±桥 梁刚度可靠度评估方法，其可W对正常运营下桥梁的整体刚度性能是否符合设计状态进行 评价。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 一种基于长期晓度监测数据的混凝±桥梁刚度可靠度评估方法，其包括如下步骤： 步骤1、对监测的桥梁晓度数据进行预处理，得到真实的桥梁晓度时程X; 步骤2、对步骤1得到的晓度时程X进行峰值识别，得到峰值序列P; 步骤3、根据峰值序列P进行晓度峰值的概率分布拟合，并进行拟合检验，得到晓度峰值 的概率密度函数、平均值和变异系数； 步骤4、建立计算桥梁刚度可靠度的功能函数方程Z; 步骤5、计算可靠度指标β。具体为:根据步骤4所得的功能函数方程Z、W及功能函数方 程Z中各变量的概率密度函数、平均值和变异系数计算刚度可靠度指标，求解可采用一次二 阶矩方法(如设计验算点法)进行Matlab编程实现。
[0006] 具体的，所述的步骤2包括W下步骤： a. 对晓度时程X进行平滑处理，然后对需求的峰值区间进行界定； b. 采用平滑曲线确定出现峰值的时刻； C.在出现峰值时刻的两侧捜索获得晓度的最大值。
[0007] 所述步骤4具体为:建立计算桥梁刚度可靠度的功能函数方程Z=aw-f;其中， f:为实测晓度变量，其概率密度函数、平均值和变异系数由步骤3获得； W:为根据桥梁设计规范得到的正常使用状态下的晓度； α:为计算不确定性系数。
[0008] 在进行正常使用状态下的晓度w计算时，各计算参数的概率密度函数、平均值和变 异系数应符合GB/T50283《公路工程结构可靠度设计统一标准》的规定。
[0009] 所述的步骤1为对现场传感设备监测采集的桥梁晓度数据进行归零、去噪、奇异值 剔除等数据预处理操作，得到真实的桥梁晓度时程X。步骤1中采集的晓度数据应有一定的 时间范围(数月或数年），W正确反映桥梁的正常运营状态。
[0010] 所述的步骤3为根据峰值序列P绘制频率分布直方图，判断晓度峰值所服从的概率 分布类型，进行概率分布拟合，并对拟合结果进行检验。目的在于获得晓度峰值的概率密度 函数、平均值和变异系数。
[0011] 步骤4中W的计算可依据JTG D26《公路钢筋混凝±及预应力混凝±桥涵设计规范》 计算得到。W简支全预应力混凝上桥梁为例，正常使用状态下的晓度W表达式为：
其中，Ms为短期效应组合下的弯矩值;E。为混凝±弹性模量;1〇为全截面换算截面惯性 矩；和为晓度长期增长系数;1为桥梁跨径。各计算参数的概率密度函数、平均值和变异系 数等应符合GB/T50283《公路工程结构可靠度设计统一标准》的规定。
[0012] 本发明考虑的功能函数方程Z既包括桥梁的实际运营信息，也涵盖桥梁的设计参 数，用于评估桥梁实际刚度水平相对于理想设计状态的可靠度指标，尤其适用于桥梁健康 监测中基于晓度数据的桥梁状态评估。
[0013] 和现有技术相比，本发明评估方法的有益效果： 本发明基于长期晓度监测数据对混凝±桥梁的整体刚度可靠度进行评估。考虑的功能 函数方程既包括桥梁的实际运营状况，也涵盖桥梁的设计参数，可通过可靠度指标进行桥 梁的实际运营状态和理想设计状态的对比，同时通过长期监测可实现桥梁的长期刚度劣化 的演变规律。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明评估方法的总体流程图； 图2为本发明评估方法中步骤2的峰值识别示意图； 图3为本发明评估方法中步骤3峰值序列P的概率分布拟合曲线示意图； 图4为采用验算点法计算本发明评估方法中步骤5可靠度β的计算流程示意图。
【具体实施方式】
[0015] W下详细对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围并不局 限于此。
[0016] 实施例1 如图1所示，一种基于长期晓度监测数据的混凝±桥梁刚度可靠度评估方法，其包括如 下步骤： 步骤1、对监测的桥梁晓度数据进行预处理(在获取桥梁关键截面的长期晓度监测数据 后，首先进行数据的归零、去噪、w及奇异值剔除操作，该功能也可在数据采集设备软件中 预先处理完成），得到预处理后的桥梁晓度时程X。
[0017] 步骤2、对步骤1得到的晓度时程X进行峰值识别(见图2)，得到峰值序列P; 峰值识别如图2所示。图2中峰值识别步骤具体如下： a. 对监测预处理后数据（即预处理后曲线X)进行平滑处理，得到平滑数据（即平滑后 的曲线S); b. 给定所需识别的峰值的上、下限pt和pd; C.利用平滑后的曲线S确定在峰值限值[pd'pt]内的极值对应的第i个峰值时刻点tp (i); d. 给定峰值捜索界限[td'tt]; e. 在峰值捜索界限[td' tt]内根据预处理数据(即预处理后曲线X)捜索监测数据的峰 值序列P。
[0018] 图2中，预处理后曲线X为经步骤1预处理后的真实监测晓度时程曲线，平滑后曲线 S为数据经过平滑处理后的时程曲线，峰值上限Pt和峰值下限Pd分别为人为定义的需要识别 的峰值的上、下限值，峰值时刻tp(l)为平滑曲线中出现第1个峰值时对应的监测时刻，峰值 捜索界限[td' tt]为人为定义的在平滑曲线峰值时刻前后进行峰值捜索的范围。峰值p(l) 和峰值P (2)分别为该段时程曲线内识别出的峰值序列。
[0019] 步骤3、根据峰值序列P进行晓度峰值的概率分布拟合，并进行拟合检验，得到晓度 峰值的概率密度函数、平均值和变异系数； 图3为峰值序列P的概率分布拟合曲线示意图，根据拟合曲线可W得到峰值的概率密度 函数f (P)、平均值μ(Ρ)和变异系数S(p)。拟合过程为： a. 根据峰值序列P，绘制频率分布直方图； b. 判断晓度峰值所服从的概率分布类型，进行概率分布拟合； C.对拟合结果进行检验，判断拟合效果。
[0020] 步骤4、建立计算桥梁刚度可靠度的功能函数方程Z;具体为:建立计算桥梁刚度可 靠度的功能函数方程Z=aw-f;其中， f:为实测晓度变量，其概率密度函数、平均值和变异系数由步骤3获得； W:为根据桥梁设计规范得到的正常使用状态下的晓度； α:为计算不确定性系数，其标准值为1.0，变异系数可取0.266。
[0021] 在进行正常使用状态下的晓度W计算时，各计算参数的概率密度函数、平均值和变 异系数应符合GB/T50283《公路工程结构可靠度设计统一标准》的规定。
[0022] 步骤5、计算可靠度指标β。具体为:根据步骤4所得的功能函数方程Z、W及功能函 数方程Z中各变量（即w、f)的概率密度函数、平均值和变异系数计算刚度可靠度指标，求解 可采用一次二阶矩方法(如设计验算点法)进行Matlab编程实现。
[0023] 图4为基于验算点法计算桥梁的刚度可靠度计算流程示意图。根据桥梁的结构类 型(钢筋混凝±桥梁或预应力混凝±桥梁等），按照步骤4建立功能函数方程Z;根据步骤3确 定的晓度f的概率密度函数、平均值和变异系数，而后可根据图4所示的计算流程，迭代确定 桥梁实际刚度水平相对于理想设计状态的可靠度指标，从而对桥梁的运营状态做出评估。
【主权项】
1. 一种基于长期挠度监测数据的混凝土桥梁刚度可靠度评估方法，其特征在于，包括 如下步骤： 步骤1、对监测的桥梁挠度数据进行预处理，得到真实的桥梁挠度时程X; 步骤2、对步骤1得到的挠度时程X进行峰值识别，得到峰值序列p; 步骤3、根据峰值序列p进行挠度峰值的概率分布拟合，并进行拟合检验，得到挠度峰值 的概率密度函数、平均值和变异系数； 步骤4、建立计算桥梁刚度可靠度的功能函数方程Z; 步骤5、计算可靠度指标β。2. 根据权利要求1所述基于长期挠度监测数据的混凝土桥梁刚度可靠度评估方法，其 特征在于，所述的步骤2包括以下步骤： a. 对挠度时程X进行平滑处理，然后对需求的峰值区间进行界定； b. 采用平滑曲线确定出现峰值的时刻； c. 在出现峰值时刻的两侧搜索获得挠度的最大值。3. 根据权利要求1所述基于长期挠度监测数据的混凝土桥梁刚度可靠度评估方法，其 特征在于，步骤4具体为:建立计算桥梁刚度可靠度的功能函数方程Z=aw-f;其中， f:为实测挠度变量，其概率密度函数、平均值和变异系数由步骤3获得； w:为根据桥梁设计规范得到的正常使用状态下的挠度； a:为计算不确定性系数。4. 根据权利要求3所述基于长期挠度监测数据的混凝土桥梁刚度可靠度评估方法，其 特征在于，进行正常使用状态下的挠度w计算时，各计算参数的概率密度函数、平均值和变 异系数应符合GB/T50283《公路工程结构可靠度设计统一标准》的规定。
【专利摘要】本发明公开了一种基于长期挠度监测数据的混凝土桥梁刚度可靠度评估方法，其包括如下步骤：1）对监测的桥梁挠度数据进行预处理，得到真实的桥梁挠度时程<i>x</i>；2）对步骤1得到的挠度时程<i>x</i>进行峰值识别，得到峰值序列<i>p</i>；3）根据峰值序列<i>p</i>进行挠度峰值的概率分布拟合，并进行拟合检验，得到挠度峰值的概率密度函数、平均值和变异系数；4）建立计算桥梁刚度可靠度的功能函数方程<i>Z</i>；5）计算可靠度指标<i>β</i>。该方法中功能函数方程<i>Z</i>既包括桥梁的实际运营信息，也涵盖桥梁的设计参数，用于评估桥梁实际刚度水平相对于理想设计状态的可靠度指标，尤其适用于桥梁健康监测中基于挠度数据的桥梁状态评估。
【IPC分类】G06F19/00
【公开号】CN105488352
【申请号】CN201510912331
【发明人】唐国斌, 程坤, 马赟
【申请人】河南省交通科学技术研究院有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月11日
【技术领域】
[0001] 本发明属于±木工程结构可靠度评估技术领域，具体设及一种基于长期晓度监测 数据的混凝±桥梁刚度可靠度评估方法。
【背景技术】
[0002] 伴随着桥梁健康监测系统的大量建设，将长期监测数据与概率方法相结合已经成 为桥梁结构性能评估的重要发展方向。目前更多研究关注的是桥梁承载能力极限状态(安 全性)和抗疲劳性能的可靠度分析;在正常使用极限状态方面，则是通过建立监测数据与允 许限值间的关系，对桥梁的使用性能进行可靠度评估。
[0003] 车辆荷载作用下桥梁的晓度，即桥梁的整体刚度，是最能直接反应桥梁运营状态 的指标之一。然而，目前结合长期晓度监测数据进行桥梁可靠度评估的研究并不多，已有的 成果从构件层次着手，或者在建立可靠度功能函数时尚未考虑桥梁的理论设计状态，进而 导致桥梁刚度的评价结果与设计理想状态可比性不强。
【发明内容】
[0004] 本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种基于长期晓度监测数据的混凝±桥 梁刚度可靠度评估方法，其可W对正常运营下桥梁的整体刚度性能是否符合设计状态进行 评价。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 一种基于长期晓度监测数据的混凝±桥梁刚度可靠度评估方法，其包括如下步骤： 步骤1、对监测的桥梁晓度数据进行预处理，得到真实的桥梁晓度时程X; 步骤2、对步骤1得到的晓度时程X进行峰值识别，得到峰值序列P; 步骤3、根据峰值序列P进行晓度峰值的概率分布拟合，并进行拟合检验，得到晓度峰值 的概率密度函数、平均值和变异系数； 步骤4、建立计算桥梁刚度可靠度的功能函数方程Z; 步骤5、计算可靠度指标β。具体为:根据步骤4所得的功能函数方程Z、W及功能函数方 程Z中各变量的概率密度函数、平均值和变异系数计算刚度可靠度指标，求解可采用一次二 阶矩方法(如设计验算点法)进行Matlab编程实现。
[0006] 具体的，所述的步骤2包括W下步骤： a. 对晓度时程X进行平滑处理，然后对需求的峰值区间进行界定； b. 采用平滑曲线确定出现峰值的时刻； C.在出现峰值时刻的两侧捜索获得晓度的最大值。
[0007] 所述步骤4具体为:建立计算桥梁刚度可靠度的功能函数方程Z=aw-f;其中， f:为实测晓度变量，其概率密度函数、平均值和变异系数由步骤3获得； W:为根据桥梁设计规范得到的正常使用状态下的晓度； α:为计算不确定性系数。
[0008] 在进行正常使用状态下的晓度w计算时，各计算参数的概率密度函数、平均值和变 异系数应符合GB/T50283《公路工程结构可靠度设计统一标准》的规定。
[0009] 所述的步骤1为对现场传感设备监测采集的桥梁晓度数据进行归零、去噪、奇异值 剔除等数据预处理操作，得到真实的桥梁晓度时程X。步骤1中采集的晓度数据应有一定的 时间范围(数月或数年），W正确反映桥梁的正常运营状态。
[0010] 所述的步骤3为根据峰值序列P绘制频率分布直方图，判断晓度峰值所服从的概率 分布类型，进行概率分布拟合，并对拟合结果进行检验。目的在于获得晓度峰值的概率密度 函数、平均值和变异系数。
[0011] 步骤4中W的计算可依据JTG D26《公路钢筋混凝±及预应力混凝±桥涵设计规范》 计算得到。W简支全预应力混凝上桥梁为例，正常使用状态下的晓度W表达式为：
其中，Ms为短期效应组合下的弯矩值;E。为混凝±弹性模量;1〇为全截面换算截面惯性 矩；和为晓度长期增长系数;1为桥梁跨径。各计算参数的概率密度函数、平均值和变异系 数等应符合GB/T50283《公路工程结构可靠度设计统一标准》的规定。
[0012] 本发明考虑的功能函数方程Z既包括桥梁的实际运营信息，也涵盖桥梁的设计参 数，用于评估桥梁实际刚度水平相对于理想设计状态的可靠度指标，尤其适用于桥梁健康 监测中基于晓度数据的桥梁状态评估。
[0013] 和现有技术相比，本发明评估方法的有益效果： 本发明基于长期晓度监测数据对混凝±桥梁的整体刚度可靠度进行评估。考虑的功能 函数方程既包括桥梁的实际运营状况，也涵盖桥梁的设计参数，可通过可靠度指标进行桥 梁的实际运营状态和理想设计状态的对比，同时通过长期监测可实现桥梁的长期刚度劣化 的演变规律。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明评估方法的总体流程图； 图2为本发明评估方法中步骤2的峰值识别示意图； 图3为本发明评估方法中步骤3峰值序列P的概率分布拟合曲线示意图； 图4为采用验算点法计算本发明评估方法中步骤5可靠度β的计算流程示意图。
【具体实施方式】
[0015] W下详细对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围并不局 限于此。
[0016] 实施例1 如图1所示，一种基于长期晓度监测数据的混凝±桥梁刚度可靠度评估方法，其包括如 下步骤： 步骤1、对监测的桥梁晓度数据进行预处理(在获取桥梁关键截面的长期晓度监测数据 后，首先进行数据的归零、去噪、w及奇异值剔除操作，该功能也可在数据采集设备软件中 预先处理完成），得到预处理后的桥梁晓度时程X。
[0017] 步骤2、对步骤1得到的晓度时程X进行峰值识别(见图2)，得到峰值序列P; 峰值识别如图2所示。图2中峰值识别步骤具体如下： a. 对监测预处理后数据（即预处理后曲线X)进行平滑处理，得到平滑数据（即平滑后 的曲线S); b. 给定所需识别的峰值的上、下限pt和pd; C.利用平滑后的曲线S确定在峰值限值[pd'pt]内的极值对应的第i个峰值时刻点tp (i); d. 给定峰值捜索界限[td'tt]; e. 在峰值捜索界限[td' tt]内根据预处理数据(即预处理后曲线X)捜索监测数据的峰 值序列P。
[0018] 图2中，预处理后曲线X为经步骤1预处理后的真实监测晓度时程曲线，平滑后曲线 S为数据经过平滑处理后的时程曲线，峰值上限Pt和峰值下限Pd分别为人为定义的需要识别 的峰值的上、下限值，峰值时刻tp(l)为平滑曲线中出现第1个峰值时对应的监测时刻，峰值 捜索界限[td' tt]为人为定义的在平滑曲线峰值时刻前后进行峰值捜索的范围。峰值p(l) 和峰值P (2)分别为该段时程曲线内识别出的峰值序列。
[0019] 步骤3、根据峰值序列P进行晓度峰值的概率分布拟合，并进行拟合检验，得到晓度 峰值的概率密度函数、平均值和变异系数； 图3为峰值序列P的概率分布拟合曲线示意图，根据拟合曲线可W得到峰值的概率密度 函数f (P)、平均值μ(Ρ)和变异系数S(p)。拟合过程为： a. 根据峰值序列P，绘制频率分布直方图； b. 判断晓度峰值所服从的概率分布类型，进行概率分布拟合； C.对拟合结果进行检验，判断拟合效果。
[0020] 步骤4、建立计算桥梁刚度可靠度的功能函数方程Z;具体为:建立计算桥梁刚度可 靠度的功能函数方程Z=aw-f;其中， f:为实测晓度变量，其概率密度函数、平均值和变异系数由步骤3获得； W:为根据桥梁设计规范得到的正常使用状态下的晓度； α:为计算不确定性系数，其标准值为1.0，变异系数可取0.266。
[0021] 在进行正常使用状态下的晓度W计算时，各计算参数的概率密度函数、平均值和变 异系数应符合GB/T50283《公路工程结构可靠度设计统一标准》的规定。
[0022] 步骤5、计算可靠度指标β。具体为:根据步骤4所得的功能函数方程Z、W及功能函 数方程Z中各变量（即w、f)的概率密度函数、平均值和变异系数计算刚度可靠度指标，求解 可采用一次二阶矩方法(如设计验算点法)进行Matlab编程实现。
[0023] 图4为基于验算点法计算桥梁的刚度可靠度计算流程示意图。根据桥梁的结构类 型(钢筋混凝±桥梁或预应力混凝±桥梁等），按照步骤4建立功能函数方程Z;根据步骤3确 定的晓度f的概率密度函数、平均值和变异系数，而后可根据图4所示的计算流程，迭代确定 桥梁实际刚度水平相对于理想设计状态的可靠度指标，从而对桥梁的运营状态做出评估。
【主权项】
1. 一种基于长期挠度监测数据的混凝土桥梁刚度可靠度评估方法，其特征在于，包括 如下步骤： 步骤1、对监测的桥梁挠度数据进行预处理，得到真实的桥梁挠度时程X; 步骤2、对步骤1得到的挠度时程X进行峰值识别，得到峰值序列p; 步骤3、根据峰值序列p进行挠度峰值的概率分布拟合，并进行拟合检验，得到挠度峰值 的概率密度函数、平均值和变异系数； 步骤4、建立计算桥梁刚度可靠度的功能函数方程Z; 步骤5、计算可靠度指标β。2. 根据权利要求1所述基于长期挠度监测数据的混凝土桥梁刚度可靠度评估方法，其 特征在于，所述的步骤2包括以下步骤： a. 对挠度时程X进行平滑处理，然后对需求的峰值区间进行界定； b. 采用平滑曲线确定出现峰值的时刻； c. 在出现峰值时刻的两侧搜索获得挠度的最大值。3. 根据权利要求1所述基于长期挠度监测数据的混凝土桥梁刚度可靠度评估方法，其 特征在于，步骤4具体为:建立计算桥梁刚度可靠度的功能函数方程Z=aw-f;其中， f:为实测挠度变量，其概率密度函数、平均值和变异系数由步骤3获得； w:为根据桥梁设计规范得到的正常使用状态下的挠度； a:为计算不确定性系数。4. 根据权利要求3所述基于长期挠度监测数据的混凝土桥梁刚度可靠度评估方法，其 特征在于，进行正常使用状态下的挠度w计算时，各计算参数的概率密度函数、平均值和变 异系数应符合GB/T50283《公路工程结构可靠度设计统一标准》的规定。
【专利摘要】本发明公开了一种基于长期挠度监测数据的混凝土桥梁刚度可靠度评估方法，其包括如下步骤：1）对监测的桥梁挠度数据进行预处理，得到真实的桥梁挠度时程<i>x</i>；2）对步骤1得到的挠度时程<i>x</i>进行峰值识别，得到峰值序列<i>p</i>；3）根据峰值序列<i>p</i>进行挠度峰值的概率分布拟合，并进行拟合检验，得到挠度峰值的概率密度函数、平均值和变异系数；4）建立计算桥梁刚度可靠度的功能函数方程<i>Z</i>；5）计算可靠度指标<i>β</i>。该方法中功能函数方程<i>Z</i>既包括桥梁的实际运营信息，也涵盖桥梁的设计参数，用于评估桥梁实际刚度水平相对于理想设计状态的可靠度指标，尤其适用于桥梁健康监测中基于挠度数据的桥梁状态评估。
【IPC分类】G06F19/00
【公开号】CN105488352
【申请号】CN201510912331
【发明人】唐国斌, 程坤, 马赟
【申请人】河南省交通科学技术研究院有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月11日
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