本發(fā)明涉及橋梁抗風(fēng)，具體涉及一種橋梁斷面顫振的高效高精度預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、橋梁跨度的增加使得橋梁剛度與阻尼降低，顯著提高出現(xiàn)顫振的風(fēng)險(xiǎn)。從而，在顫振來(lái)臨、或者危險(xiǎn)振動(dòng)發(fā)生之前，需要快速準(zhǔn)確的進(jìn)行顫振邊界與振幅的預(yù)警，輔助工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2、顫振導(dǎo)數(shù)法是評(píng)估橋梁非定常氣動(dòng)力與顫振特性的主流方法。目前橋梁設(shè)計(jì)行業(yè)對(duì)于橋梁斷面的非定常氣動(dòng)力及顫振導(dǎo)數(shù)存在兩種預(yù)示手段。一是數(shù)值模擬的方法，通過(guò)離散求解ns方程的方式存在嚴(yán)重的效率與精度不平衡的缺陷，且現(xiàn)階段沒(méi)有絕對(duì)精確的湍流模型以滿足工程精度需求。二是風(fēng)洞試驗(yàn)，雖然其精度較高但對(duì)于整個(gè)橋梁以及二維斷面的風(fēng)洞試驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)，需要在不同風(fēng)速下重復(fù)施加激勵(lì)以采集顫振導(dǎo)數(shù)。另外，現(xiàn)階段所有顫振導(dǎo)數(shù)預(yù)測(cè)方法依賴顫振發(fā)生臨界風(fēng)速后（超臨界）的數(shù)據(jù)，極大增加了實(shí)驗(yàn)與測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而需要發(fā)展一種使用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，僅使用少量顫振臨界風(fēng)速前（亞臨界）的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)的安全、低成本、高效率顫振預(yù)示。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，本發(fā)明提供的一種橋梁斷面顫振的高效高精度預(yù)測(cè)方法解決了目前未利用機(jī)器學(xué)習(xí)以及僅使用少量顫振臨界風(fēng)速前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，達(dá)到高效高精度的顫振預(yù)測(cè)的問(wèn)題。

2、為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、提供了一種橋梁斷面顫振的高效高精度預(yù)測(cè)方法，其包括以下步驟：

4、s1、基于橋梁斷面運(yùn)行的風(fēng)速數(shù)據(jù)和頻率數(shù)據(jù)，采集橋梁斷面的低風(fēng)速亞臨界條件下的顫振數(shù)據(jù)；

5、s2、基于顫振數(shù)據(jù)，利用符號(hào)回歸方法構(gòu)建顫振單值函數(shù)；

6、s3、基于顫振單值函數(shù)，利用符號(hào)回歸方法構(gòu)建斷面顫振預(yù)測(cè)模型；

7、s4、耦合結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程，求解斷面顫振預(yù)測(cè)模型，得到顫振響應(yīng)，即預(yù)測(cè)結(jié)果。

8、進(jìn)一步地，步驟s1中的顫振數(shù)據(jù)包括不同幅值、不同風(fēng)速的顫振導(dǎo)數(shù)氣動(dòng)力數(shù)據(jù)；風(fēng)速數(shù)據(jù)為顫振前狀態(tài)下的不同無(wú)量綱風(fēng)速；頻率數(shù)據(jù)為強(qiáng)迫振動(dòng)或自由響應(yīng)幅值。

9、進(jìn)一步地，步驟s2包括以下步驟：

10、s2-1、選取滿足第一篩選條件的顫振導(dǎo)數(shù)氣動(dòng)力數(shù)據(jù)、風(fēng)速數(shù)據(jù)和頻率數(shù)據(jù)；

11、s2-2、基于簡(jiǎn)潔性原則和橋梁顫振scanlan理論、范德玻爾模型，選擇初始符號(hào)表達(dá)式；

12、s2-3、基于初始符號(hào)表達(dá)式、選取后的風(fēng)速數(shù)據(jù)和選取后的頻率數(shù)據(jù)，利用符號(hào)回歸方法構(gòu)建候選關(guān)聯(lián)參數(shù)的多個(gè)候選表達(dá)式；

13、s2-4、將候選關(guān)聯(lián)參數(shù)作為自變量、選取后的顫振導(dǎo)數(shù)氣動(dòng)力數(shù)據(jù)作為因變量，利用多項(xiàng)式擬合法構(gòu)建各個(gè)候選表達(dá)式對(duì)應(yīng)的多項(xiàng)式擬合函數(shù)；

14、s2-5、基于多個(gè)多項(xiàng)式擬合函數(shù)和選取后的顫振導(dǎo)數(shù)氣動(dòng)力數(shù)據(jù)構(gòu)建降維損失函數(shù)，并進(jìn)行求解，得到各個(gè)候選表達(dá)式對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度；

15、s2-6、基于各個(gè)適應(yīng)度，對(duì)各候選表達(dá)式進(jìn)行遺傳、突變、交叉處理，得到處理后的候選表達(dá)式；

16、s2-7、重復(fù)步驟s2-3至步驟s2-6，直至達(dá)到迭代次數(shù)或精度滿足要求，基于第二篩選條件對(duì)所有處理后的候選表達(dá)式進(jìn)行篩選，得到最佳表達(dá)式，即顫振單值函數(shù)。

17、進(jìn)一步地，第一篩選條件為；篩選不小于全面閾值、小于幅度振動(dòng)閾值且遠(yuǎn)離對(duì)應(yīng)的顫振臨界點(diǎn)的顫振導(dǎo)數(shù)氣動(dòng)力數(shù)據(jù)、風(fēng)速數(shù)據(jù)和頻率數(shù)據(jù)；

18、第二篩選條件為滿足降維損失函數(shù)最小，即以該表達(dá)式為自變量，以顫振導(dǎo)數(shù)為因變量，使得顫振導(dǎo)數(shù)被表達(dá)為一單值函數(shù)，且對(duì)應(yīng)的表達(dá)式滿足簡(jiǎn)潔性原則。

19、進(jìn)一步地，步驟s3中的斷面顫振預(yù)測(cè)模型采用經(jīng)典顫振導(dǎo)數(shù)scanlan模型。

20、進(jìn)一步地，步驟s3包括以下步驟：

21、s3-1、確定步驟s2的顫振單值函數(shù)對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)參數(shù)和顫振導(dǎo)數(shù)氣動(dòng)力數(shù)據(jù)；

22、s3-2、基于簡(jiǎn)潔性原則和橋梁顫振scanlan理論、范德玻爾模型，選擇顫振導(dǎo)數(shù)建模的初始建模符號(hào)表達(dá)式；

23、s3-3、基于初始建模符號(hào)表達(dá)式、步驟s3-1的關(guān)聯(lián)參數(shù)和顫振導(dǎo)數(shù)氣動(dòng)力數(shù)據(jù)，利用符號(hào)回歸方法構(gòu)建顫振導(dǎo)數(shù)降維空間的建模候選表達(dá)式，即構(gòu)建初始斷面顫振預(yù)測(cè)模型；

24、s3-4、計(jì)算顫振導(dǎo)數(shù)預(yù)測(cè)模型計(jì)算結(jié)果與顫振導(dǎo)數(shù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)間的二范數(shù)誤差，即計(jì)算建模損失函數(shù)，得到對(duì)應(yīng)的建模候選表達(dá)式的適應(yīng)度；

25、s3-5、基于各個(gè)適應(yīng)度，對(duì)各建模候選表達(dá)式進(jìn)行遺傳、突變、交叉處理，得到處理后的建模候選表達(dá)式；

26、s3-6、重復(fù)步驟s3-3至步驟s3-5，直至達(dá)到迭代次數(shù)或精度滿足要求，基于第三篩選條件對(duì)所有處理后的建模候選表達(dá)式進(jìn)行篩選，得到最佳建模候選表達(dá)式，即斷面顫振預(yù)測(cè)模型。

27、進(jìn)一步地，第三篩選條件為滿足建模損失函數(shù)最小，即建立顫振導(dǎo)數(shù)預(yù)測(cè)模型可以對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)具備較高的預(yù)測(cè)精度，且對(duì)應(yīng)的表達(dá)式滿足簡(jiǎn)潔性原則。

28、進(jìn)一步地，步驟s4中的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程與步驟s3獲得的斷面顫振預(yù)測(cè)模型耦合后的公式為：

29、

30、其中，、、、分別表示扭轉(zhuǎn)振動(dòng)角度、角速度和角加速度，表示扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)阻尼比，表示扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)圓頻率，表示質(zhì)量慣矩，表示來(lái)流密度，表示折減頻率，、表示兩個(gè)扭轉(zhuǎn)自由度顫振導(dǎo)數(shù)，表示斷面半弦長(zhǎng)，表示來(lái)流速度。

31、本發(fā)明的有益效果為：

32、1.本發(fā)明構(gòu)建了橋梁斷面顫振特性的高效、低成本預(yù)測(cè)方法。僅需要經(jīng)典顫振導(dǎo)數(shù)模型插值預(yù)測(cè)方法約1/5的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)車(chē)次，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于該斷面顫振特性的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)；

33、2.本發(fā)明構(gòu)建了橋梁斷面顫振特性的預(yù)測(cè)方法僅依賴低風(fēng)速、亞臨界下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)更安全的建模。本發(fā)明僅從顫振前，微小振動(dòng)甚至不振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行測(cè)試采樣，提取非定常氣動(dòng)力的物理信息；

34、3.本發(fā)明利用兩次符號(hào)回歸方法，實(shí)現(xiàn)先降維再建模的流程。降維使得符號(hào)回歸方法降低過(guò)擬合風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)建模方法的魯棒性，可以將預(yù)測(cè)精度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

技術(shù)特征：

1.一種橋梁斷面顫振的高效高精度預(yù)測(cè)方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的橋梁斷面顫振的高效高精度預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述步驟s1中的顫振數(shù)據(jù)包括不同幅值、不同風(fēng)速的顫振導(dǎo)數(shù)氣動(dòng)力數(shù)據(jù)；所述風(fēng)速數(shù)據(jù)為顫振前狀態(tài)下的不同無(wú)量綱風(fēng)速；所述頻率數(shù)據(jù)為強(qiáng)迫振動(dòng)或自由響應(yīng)幅值。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的橋梁斷面顫振的高效高精度預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述步驟s2包括以下步驟：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的橋梁斷面顫振的高效高精度預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述第一篩選條件為；篩選不小于全面閾值、小于幅度振動(dòng)閾值且遠(yuǎn)離對(duì)應(yīng)的顫振臨界點(diǎn)的顫振導(dǎo)數(shù)氣動(dòng)力數(shù)據(jù)、風(fēng)速數(shù)據(jù)和頻率數(shù)據(jù)；

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的橋梁斷面顫振的高效高精度預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述步驟s3中的斷面顫振預(yù)測(cè)模型采用經(jīng)典顫振導(dǎo)數(shù)scanlan模型。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的橋梁斷面顫振的高效高精度預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述步驟s3包括以下步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的橋梁斷面顫振的高效高精度預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述第三篩選條件為：滿足建模損失函數(shù)最小，且對(duì)應(yīng)的表達(dá)式滿足簡(jiǎn)潔性原則。

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的橋梁斷面顫振的高效高精度預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述步驟s4中的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程與步驟s3獲得的斷面顫振預(yù)測(cè)模型耦合后的公式為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種橋梁斷面顫振的高效高精度預(yù)測(cè)方法，涉及橋梁抗風(fēng)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明構(gòu)建了橋梁斷面顫振特性的高效、低成本預(yù)測(cè)方法。僅需要經(jīng)典顫振導(dǎo)數(shù)模型插值預(yù)測(cè)方法約1/5的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)車(chē)次，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于該斷面顫振特性的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)；構(gòu)建了橋梁斷面顫振特性的預(yù)測(cè)方法僅依賴低風(fēng)速、亞臨界下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)更安全的建模，僅僅從顫振前、微小振動(dòng)甚至不振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行測(cè)試采樣，提取非定常氣動(dòng)力的物理信息；利用兩次符號(hào)回歸方法，實(shí)現(xiàn)先降維再建模的流程，降維使得符號(hào)回歸方法降低過(guò)擬合風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)建模方法的魯棒性，可以將預(yù)測(cè)精度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

技術(shù)研發(fā)人員：高傳強(qiáng),史子頡,張偉偉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西北工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23