本發(fā)明屬于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于L1/2正則化的梁橋移動荷載與損傷協(xié)同識別方法。
背景技術(shù)：
：橋梁在建成后的實(shí)際運(yùn)營中，會受到多種荷載的作用，其中移動荷載是最主要的一種。移動荷載主要指：車輛過橋時(shí)對橋梁的作用荷載，包括：鐵路列車荷載與公路車輛荷載。隨著橋梁運(yùn)營時(shí)間的推移，橋梁結(jié)構(gòu)不可避免地會出現(xiàn)各種損傷和性能劣化，導(dǎo)致橋梁的剛度或承載力出現(xiàn)不同程度的衰減。為保證橋梁的運(yùn)營安全，必須掌握并監(jiān)控橋梁實(shí)時(shí)移動荷載以及橋梁結(jié)構(gòu)損傷情況。因此，研究未知荷載與未知損傷協(xié)同識別方法顯得尤為重要。目前，基于橋梁振動信息的損傷識別過程中，一般需要知道結(jié)構(gòu)所受到的外部荷載。然而在實(shí)際工程中，外部荷載往往是無法獲取的，特別是在橋梁結(jié)構(gòu)中，車輛移動荷載通常難以精確測量。因此，針對未知荷載與未知損傷協(xié)同識別的方法顯得尤為重要。中國專利(專利申請?zhí)枺篊N201410527720.3)公開了“一種移動荷載下簡支梁損傷和移動力同時(shí)識別方法”，該方法利用切比雪夫多項(xiàng)式離散移動荷載，結(jié)合靈敏度分析迭代求解未知移動力與未知損傷。在ZhangQ等人發(fā)表的文章中[ZhangQ,Jankowski,DuanZ.Identificationofcoexistentloadanddamage[J].Structural&MultidisciplinaryOptimization,2010,41(41):243-253]，提出了一種基于虛擬變形法(VirtualDistortionMethod,VDM)的動荷載與損傷同時(shí)識別方法，該方法主要是利用虛擬荷載等效結(jié)構(gòu)損傷，并利用健康結(jié)構(gòu)進(jìn)行識別。在ZhuHP等人發(fā)表的文章中[ZhuHP,MaoL,WengS.Asensitivity-basedstructuraldamageidentificationmethodwithunknowninputexcitationusingtransmissibilityconcept[J].JournalofSound&Vibration,2014,333(26):7135-7150]，利用傳遞矩陣的概念，提出一種基于靈敏度的荷載與損傷同時(shí)識別方法，利用不同測點(diǎn)響應(yīng)之間的傳遞關(guān)系，通過模型修正使得重構(gòu)響應(yīng)與實(shí)測響應(yīng)殘差平方和最小。但是，目前，已有的同時(shí)識別方法通常沒有考慮結(jié)構(gòu)損傷在空間分布上的稀疏性，導(dǎo)致?lián)p傷識別結(jié)果往往出現(xiàn)過多的誤判，不利于實(shí)際工程的應(yīng)用。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提出一種基于L1/2正則化的梁橋移動荷載與結(jié)構(gòu)損傷協(xié)同識別方法，通過其實(shí)施的具體步驟，既實(shí)現(xiàn)未知移動荷載與結(jié)構(gòu)損傷的同時(shí)識別，又凸顯結(jié)構(gòu)損傷的局部稀疏性，同時(shí)達(dá)到減少結(jié)構(gòu)損傷識別誤判率的目的，解決了目標(biāo)移動荷載與結(jié)構(gòu)損傷同時(shí)識別方法中存在的損傷單元容易出現(xiàn)誤判的問題。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種基于L1/2正則化的梁橋移動荷載與損傷協(xié)同識別方法，該方法包括以下幾個(gè)內(nèi)容：1).根據(jù)橋梁監(jiān)測的目的和精度要求，在梁橋上布置加速度、位移、應(yīng)變等結(jié)構(gòu)響應(yīng)測量傳感器；2).根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)參數(shù)，采用梁單元建立橋梁的有限元模型；3).將實(shí)測橋梁響應(yīng)按傳感器先后整合在一起，計(jì)算響應(yīng)歸一化參數(shù)，并將響應(yīng)進(jìn)行歸一化處理；4).在給定損傷因子的情況下，利用Tikhonov正則化方法識別移動荷載，并利用移動荷載計(jì)算重構(gòu)響應(yīng)，對比實(shí)測響應(yīng)與重構(gòu)響應(yīng)的殘差L2范數(shù)，結(jié)合L1/2正則化建立以單元損傷因子為優(yōu)化參量的目標(biāo)函數(shù)，并利用Matlab工具箱求解。本發(fā)明的一種基于L1/2正則化的梁橋移動荷載與結(jié)構(gòu)損傷協(xié)同識別方法，其特征還在于，該方法的具體實(shí)施步驟為：將移動速度為v，作用時(shí)間為[0,T)的移動荷載表示為N矩形荷載的線性組合，其中矩形荷載形式為：pi(t)=1t∈[(i-1)T/N,iT/N)0other,i=1,2,3,...,N]]>那么t時(shí)刻移動荷載的大小可以表示為：f(t)=Σi=1Nαipi(t)]]>其中，αi表示第i個(gè)矩形荷載組合系數(shù)，反映該矩形荷載的大小；當(dāng)存在多個(gè)移動荷載時(shí)，各個(gè)移動荷載按相同的方式展開；結(jié)構(gòu)損傷等效考慮為梁單元的剛度折減：Kid＝(1-θi)Kih其中，Kid，Kih分別表示第i個(gè)單元在損傷與無損傷情況下的剛度矩陣，θi表示第i個(gè)單元的損傷程度；在進(jìn)行識別運(yùn)算之前，采用下述公式對實(shí)測響應(yīng)進(jìn)行歸一化處理，即：y=yt||yt||2]]>其中，yt＝[yt1T,yt2T,yt3T,…,ytnT]T表示橋梁的實(shí)測響應(yīng)，ytiT表示第i個(gè)測點(diǎn)的響應(yīng)，y表示歸一化后的測點(diǎn)響應(yīng)，||yt||2為歸一化參數(shù)；單個(gè)矩陣荷載pi(t)作用下的橋梁響應(yīng)可以由振型疊加法計(jì)算，由疊加原理可知，移動荷載作用下橋梁的響應(yīng)可以表示為：y＝H(θ)α其中α＝[α1,α2,α3,…,αm]T表示矩形荷載的參與系數(shù)，αi表示第i個(gè)矩形荷載的系數(shù)大小，H＝[h1,h2,h3,…,hm]表示系統(tǒng)矩陣，hi表示第i個(gè)單位矩形荷載作用下，橋梁的測點(diǎn)響應(yīng)；利用Tikhonov正則化方法，在給定θ＝[θ1,θ2,θ3,…,θm]T的情況下，矩形荷載參與系數(shù)的識別結(jié)果為：α＝[H(θ)TH(θ)+λTI]-1H(θ)Ty進(jìn)一步結(jié)合L1/2范數(shù)建立以θ為優(yōu)化變量的最小化優(yōu)化問題如下：minθ||H(θ)[H(θ)TH(θ)+λTI]-1H(θ)Ty-y||22+λsΣi|θi|12s.tθi∈[0,1)]]>采用Matlab優(yōu)化工具箱求解優(yōu)化問題得到損傷識別結(jié)果，進(jìn)一步結(jié)合歸一化參數(shù)計(jì)算移動荷載識別結(jié)果。將所述實(shí)測響應(yīng)與重構(gòu)響應(yīng)殘差的L2范數(shù)與損傷向量的L1/2范數(shù)的加權(quán)求和定義為目標(biāo)函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)移動荷載與結(jié)構(gòu)損傷的同時(shí)識別，并且實(shí)現(xiàn)損傷因子在空間分布上的稀疏性，凸顯損傷單元。本發(fā)明結(jié)合稀疏正則化技術(shù)，提出一種基于L1/2正則化的梁橋移動荷載與損傷協(xié)同識別方法，既實(shí)現(xiàn)未知移動荷載與結(jié)構(gòu)損傷的同時(shí)識別，又凸顯結(jié)構(gòu)損傷的局部稀疏性，同時(shí)達(dá)到減少結(jié)構(gòu)損傷識別誤判率的目的。本發(fā)明具有較強(qiáng)的創(chuàng)新性以及重要的工程價(jià)值和應(yīng)用前景?？梢灶A(yù)期的是，經(jīng)過與具體橋型結(jié)合并且做進(jìn)一步的完善和發(fā)展，當(dāng)該項(xiàng)發(fā)明在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域廣泛應(yīng)用時(shí)，將產(chǎn)生巨大的的工程應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，當(dāng)研發(fā)的梁橋移動荷載與結(jié)構(gòu)損傷協(xié)同識別軟件系統(tǒng)成功應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域之后，便可以在工程技術(shù)轉(zhuǎn)化當(dāng)中取得優(yōu)勢，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和商業(yè)價(jià)值。附圖說明圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于L1/2正則化的梁橋移動荷載與損傷協(xié)同識別方法的實(shí)現(xiàn)流程圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例表示的兩個(gè)移動荷載作用下的梁橋模型圖。圖中，L表示梁橋跨度，l表示兩個(gè)移動荷載之間的距離，F(xiàn)1、F2表示兩個(gè)移動荷載，v表示荷載移動速度，s表示傳感器。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案以及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。作為本發(fā)明實(shí)施例的一個(gè)優(yōu)化方案，本發(fā)明進(jìn)行移動荷載與結(jié)構(gòu)損傷協(xié)同識別的主要實(shí)施流程如圖1所示，基于L1/2正則化的梁橋移動荷載與損傷協(xié)同識別方法的具體步驟為：(1)參考附圖2，根據(jù)橋梁監(jiān)測的目的和精度要求，在梁橋上布置若干加速度、位移、應(yīng)變傳感器。考慮到橋梁損傷引起的響應(yīng)變化具有明顯的局部性，因此應(yīng)該按橋梁監(jiān)測精度要求將橋梁劃分為若干局部梁段，傳感器最好按等間距布置，盡量保證每個(gè)局部梁段都有相應(yīng)的測點(diǎn)。(2)根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)參數(shù)，采用梁單元建立橋梁的有限元模型。在確定模型單元個(gè)數(shù)時(shí)，應(yīng)該兼顧到計(jì)算效率與模型精度。一方面單元個(gè)數(shù)不宜過多，以保證模型有較高的計(jì)算效率；另一方面要保證模型的低階模態(tài)特性(例如前3階)與實(shí)際結(jié)構(gòu)接近。(3)將實(shí)測橋梁響應(yīng)按傳感器先后整合在一起，計(jì)算響應(yīng)歸一化參數(shù)，并將響應(yīng)進(jìn)行歸一化處理，即：y=yt||yt||2]]>其中，yt＝[yt1T,yt2T,yt3T,…,ytnT]T表示橋梁的實(shí)測響應(yīng)，ytiT表示第i個(gè)測點(diǎn)的響應(yīng)，y表示歸一化后的測點(diǎn)響應(yīng)，||yt||2表示歸一化參數(shù)。(4)將移動速度為v，作用時(shí)間為[0,T)的移動荷載表示為N矩形荷載的線性組合，其中矩形荷載形式為：pi(t)=1t∈[(i-1)T/N,iT/N)0other,i=1,2,3,...,N]]>那么t時(shí)刻移動荷載的大小可以表示為：f(t)=Σi=1Nαipi(t)]]>其中，αi表示第i個(gè)矩形荷載組合系數(shù)，反映該矩形荷載的大?。坏诙€(gè)移動荷載按相同的方式展開，其索引值順延第一個(gè)移動荷載。(5)在給定損傷因子θ的情況下，橋梁的系統(tǒng)矩陣H采用振型疊加法計(jì)算，其每一列對應(yīng)一個(gè)矩形荷載單獨(dú)作用下的測點(diǎn)響應(yīng)。利用Matlab優(yōu)化工具箱求解由Tikhonov正則化與L1/2正則化建立起來的最小化優(yōu)化問題：minθ||H(θ)[H(θ)TH(θ)+λTI]-1H(θ)Ty-y||22+λsΣi|θi|12s.tθi∈[0,1)]]>考慮到Matlab優(yōu)化工具箱存在多種算法，優(yōu)先選用內(nèi)點(diǎn)法，結(jié)合初值θ＝0.5進(jìn)行求解。λT與λs分別是對應(yīng)Tikhonov正則化與L1/2正則化的正則化參數(shù)，可按實(shí)際適當(dāng)選取，或采用適當(dāng)后驗(yàn)準(zhǔn)確進(jìn)行選取并根據(jù)實(shí)際進(jìn)行微調(diào)。由目標(biāo)函數(shù)求得的θ為損傷識別結(jié)果，相應(yīng)的結(jié)合歸一化系數(shù)，計(jì)算所求識別荷載為：f(t)=||yt||2Σi=1Nαipi(t)]]>其中，矩形荷載參與系數(shù)由下述公式求解：α＝[H(θ)TH(θ)+λTI]-1H(θ)Ty由上述實(shí)施例說明，本發(fā)明通過其實(shí)施的具體步驟，既實(shí)現(xiàn)未知移動荷載與結(jié)構(gòu)損傷的同時(shí)識別，又凸顯結(jié)構(gòu)損傷的局部稀疏性，同時(shí)達(dá)到減少結(jié)構(gòu)損傷識別誤判率的目的，解決了目標(biāo)移動荷載與結(jié)構(gòu)損傷同時(shí)識別方法中存在的損傷單元容易出現(xiàn)誤判的問題。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不是用來限制發(fā)明的實(shí)施與權(quán)利范圍，凡依據(jù)本發(fā)明申請專利保護(hù)范圍所述的內(nèi)容做出的等效變化和修飾，均應(yīng)包括在本發(fā)明申請專利范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3