一种基于响应面法的桥梁转体重点部位受力预测模型构建方法及装置与流程

一种基于响应面法的桥梁转体重点部位受力预测模型构建方法及装置，用于梁转体重点部位受力预测模型构建，属于桥梁施工安全管理。

背景技术：

1、随着经济和技术的快速发展，高速公路的数量迅猛增长，很多高速公路与跨既有线铁路上下行线交叉，因此针对跨线部分往往进行桥梁转体施工，在既有铁路的两侧的设计位置进行施工，待桥梁结构施工完成后结合转体装置对梁体进行转动，具有不干扰交通、施工快速、经济效益等优点。

2、在转体施工的过程中，桥梁结构的跨度较大，容易受到风荷载和温度荷载的作用而产生较大的应变，并且在牵引力的作用下，桥梁结构的球铰部位也容易受到较强的应力作用，进而导致桥梁结构发生损坏的风险事故。在实际施工过程中，受限于施工的体量与难度，难以对桥梁结构的易损部位进行监测，无法及时获知结构的受力响应及变形状态。

3、综上所述，现有技术存在如下技术问题：

4、1.现有技术受限于施工的体量与难度，难以对桥梁结构的易损部位进行监测，无法及时获知结构的受力响应及变形状态，从而易导致桥梁结构发生损坏的风险的问题；

5、2.现有技术在进行桥梁转体监测与控制时，只能依托经验进行转体，对于转体的过程和结果没有准确性的依托数值，导致桥梁转体的精确度较低，且容易发生失误，导致转体失败的不良情况。

6、3.桥梁转体过程未能实现可视化，且转体过程留痕性差，导致后期桥梁施工后的转体施工项目信息缺失，为后续工程质量问题的追溯造成不便，运维期桥梁维护阶段也没有相关资料可供参考。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于响应面法的桥梁转体重点部位受力预测模型构建方法及装置，解决现有技术受限于施工的体量与难度，难以对桥梁结构的易损部位进行监测，无法及时获知结构的受力响应及变形状态，从而易导致桥梁结构发生损坏的风险的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于响应面法的桥梁转体重点部位受力预测模型构建方法，包括如下步骤：

4、步骤s1、基于实际工程桥梁结构的施工图纸构建等比例的桥梁结构有限元仿真模型和等比例的桥梁建筑信息模型，并基于桥梁建筑信息模型对桥梁转体过程进行动态模拟，在易损部位设置检测部件，其中，易损部位包括转体球铰部位、上部梁体与桥墩连接的部位，转体球铰部位包括上球铰和下球铰，检测部件包括临时墩、中墩滑道梁及辅助滑道梁、钢桁架、中墩、中墩撑脚、钢桁架线形和中墩基础沉降；

5、步骤s2、对桥梁结构有限元仿真模型进行不同参数组合分析，得到不同工况下桥梁结构的应力应变数据和对接到转体梁上的运动状态数据，其中，参数组合包括风荷载、温度荷载和牵引力，应力应变数据包括von mi ses等效应力数据和应变数据，应变数据＝vonmi ses等效应力数据/弹性模量，弹性模量是由材料性质确定的固定值，运动状态数据包括角速度、角加速度和惯性制动距离；

6、步骤s3、根据桥梁结构有限元仿真模型的分析结果，提取易损部位的临界数据，将临界数据与对应的参数组合数据匹配并提取，以生成第一表单，其中，第一表单包括应力应变数据中的极限值、参数和易损部位，以及桥梁的角速度、角加速度和惯性制动距离，极限值为易损部位能够承受的最大von mi ses等效应力值；

7、步骤s4、将第一表单的数据带入响应面法模型建立桥梁转体重点部位受力预测模型，即获得对应不同情境下的重点监测项预测模型，包括应力应变预测子模型、转体球铰处的转动摩阻力矩预测子模型、连续梁在加速阶段产生的总扭矩预测子模型、加速度预测子模型、最大扭转剪应力预测子模型、极限转动加速度预测子模型和惯性制动距离预测子模型；

8、步骤s5、基于步骤s4得到的重点监测项预测模型对检测部件的对应参数进行计算并在桥梁建筑信息模型中集成显示。

9、进一步，所述步骤s1基于实际工程桥梁结构的施工图纸采用abaqus有限元分析软件构建等比例的桥梁结构有限元仿真模型，采用revit软件构建等比例桥梁建筑信息模型。

10、进一步，所述步骤s4中，

11、应力应变预测子模型中的应力预测子模型的公式为：

12、von＝{0.06-3.91e-5ra-4.56e-6rb-2.16e-5rc-5.54e-10rarb-1.5e-8rarc+1.98e-9rbrc

13、+1.96e-8ra2+5.158e-10rb2+3.95e-8rc2}-1

14、其中，von表示应力值，ra是桥梁下部支承的支撑半径，rb是曲率半径，rc是连接上下球铰的销轴的半径；

15、应力应变预测子模型中的应变预测子模型的公式为：

16、

17、其中，ε表示应变值，e为施工材料的弹性模量；

18、转体球铰处的转动摩阻力矩预测子模型的公式为：

19、

20、其中，mz为转动摩擦力矩，ms为待积分的转动摩擦力矩，μ为球铰界面的摩擦系数，p0为球铰界面各个节点的接触压力，其与销轴中心距离具有拟合关系：p0＝ar3+bxr3+cr+d,r＝rsinθ，r为球铰界面的曲率半径，γ为过销轴空的球铰曲率半径与过球铰球心垂直中心线之间的夹角，β为过支撑半径的球铰曲率半径与过球心垂直中心线之间的夹角，为简化后续表达，将式中求积公式简化为f(p0,r1,r2,r)，r1和r2分别为球铰中的销轴预留孔半径和支承半径，θ和α都是待拟合变量，分别表示不同两个积分中的积分变量，a、b、c和d是待定常规数；简化后的公式为：

21、mz＝2πμr3f(p0,r1,r2,r)

22、连续梁在加速阶段产生的总扭矩预测子模型的公式为：

23、

24、其中，tz表示连续梁在加速阶段产生的总扭矩，jz是惯性矩，ωa是角加速度，mi为连续梁中的第i号块的质量，即从最中间向旁边依次增加的第i号块的质量，li为连续梁中的第i号块的长度，di为第i号块重心到梁体中心线的距离，m0为第0号块的质量，即最中间的块的质量，l0为第0号块的长度，n表示块的总数；

25、基于转体球铰处的转动摩阻力矩预测子模型得到加速度预测子模型的公式为：

26、

27、其中，fd表示动力矩，ωz表示加速度，n表示块的总数；

28、当连续梁的角速度进入匀速阶段，此时得到牵引力预测子模型的公式为：

29、

30、tz＝0

31、其中，f表示牵引力，d表示球铰直径；

32、最大扭转剪应力预测子模型的公式为：

33、

34、其中，wp为主墩下部薄弱截面的抗扭截面系数，τmax表示最大扭转剪应力；

35、极限转动加速度预测子模型的公式为：

36、

37、其中，j为转动惯量，y为弯曲中心距边缘的距离，i为根部截面惯性矩，ft表示极限转动加速度；

38、惯性制动距离预测子模型的公式为：

39、

40、

41、w1＝m1θ

42、其中，ri表示i号块到转动中心的距离，w1为转动的动能，m1为摩擦力矩，通过转动动能和摩擦力矩确定桥梁在惯性作用下的转动角度，在根据梁长即计算出惯性制动距离：

43、

44、其中，r表示桥梁最远端到转动中心的距离，表示转动动能和摩擦力矩确定的桥梁在惯性作用下的转动角度。

45、一种基于响应面法的桥梁转体重点部位受力预测模型构建装置，包括：

46、模型构建模块：基于实际工程桥梁结构的施工图纸构建等比例的桥梁结构有限元仿真模型和等比例的桥梁建筑信息模型，并基于桥梁建筑信息模型对桥梁转体过程进行动态模拟，在易损部位设置检测部件，其中，易损部位包括转体球铰部位、上部梁体与桥墩连接的部位，转体球铰部位包括上球铰和下球铰，检测部件包括临时墩、中墩滑道梁及辅助滑道梁、钢桁架、中墩、中墩撑脚、钢桁架线形和中墩基础沉降；

47、数据分析模块：对桥梁结构有限元仿真模型进行不同参数组合分析，得到不同工况下桥梁结构的应力应变数据和对接到转体梁上的运动状态数据，其中，参数组合包括风荷载、温度荷载和牵引力，应力应变数据包括von mi ses等效应力数据和应变数据，应变数据＝von mi ses等效应力数据/弹性模量，弹性模量是由材料性质确定的固定值，运动状态数据包括角速度、角加速度和惯性制动距离；

48、表单生成模块：根据桥梁结构有限元仿真模型的分析结果，提取易损部位的临界数据，将临界数据与对应的参数组合数据匹配并提取，以生成第一表单，其中，第一表单包括应力应变数据中的极限值、参数和易损部位，以及桥梁的角速度、角加速度和惯性制动距离，极限值为易损部位能够承受的最大von mi ses等效应力值；

49、重点监测项预测模型构建模块：将第一表单的数据带入响应面法模型建立桥梁转体重点部位受力预测模型，即获得对应不同情境下的重点监测项预测模型，包括应力应变预测子模型、转体球铰处的转动摩阻力矩预测子模型、连续梁在加速阶段产生的总扭矩预测子模型、加速度预测子模型、最大扭转剪应力预测子模型、极限转动加速度预测子模型和惯性制动距离预测子模型；

50、集成显示模块：基于得到的重点监测项预测模型对检测部件的对应参数进行计算并在桥梁建筑信息模型中集成显示。

51、进一步，所述模型构建模块基于实际工程桥梁结构的施工图纸采用abaqus有限元分析软件构建等比例的桥梁结构有限元仿真模型，采用revit软件构建等比例桥梁建筑信息模型。

52、进一步，所述重点监测项预测模型构建模块中，

53、应力应变预测子模型中的应力预测子模型的公式为：

54、von＝{0.06-3.91e-5ra-4.56e-6rb-2.16e-5rc-5.54e-10rarb-1.5e-8rarc+1.98e-9rbrc

55、+1.96e-8ra2+5.158e-10rb2+3.95e-8rc2}-1

56、其中，von表示应力值，ra是桥梁下部支承的支撑半径，rb是曲率半径，rc是连接上下球铰的销轴的半径；

57、应力应变预测子模型中的应变预测子模型的公式为：

58、

59、其中，ε表示应变值，e为施工材料的弹性模量；

60、转体球铰处的转动摩阻力矩预测子模型的公式为：

61、

62、其中，mz为转动摩擦力矩，ms为待积分的转动摩擦力矩，μ为球铰界面的摩擦系数，p0为球铰界面各个节点的接触压力，其与销轴中心距离具有拟合关系：p0＝ar3+bxr3+cr+d,r＝rsinθ，r为球铰界面的曲率半径，γ为过销轴空的球铰曲率半径与过球铰球心垂直中心线之间的夹角，β为过支撑半径的球铰曲率半径与过球心垂直中心线之间的夹角，为简化后续表达，将式中求积公式简化为f(p0,r1,r2,r)，r1和r2分别为球铰中的销轴预留孔半径和支承半径，θ和α都是待拟合变量，分别表示不同两个积分中的积分变量，a、b、c和d是待定常规数；简化后的公式为：

63、mz＝2πμr3f(p0,r1,r2,r)

64、连续梁在加速阶段产生的总扭矩预测子模型的公式为：

65、

66、其中，tz表示连续梁在加速阶段产生的总扭矩，jz是惯性矩，ωa是角加速度，mi为连续梁中的第i号块的质量，即从最中间向旁边依次增加的第i号块的质量，li为连续梁中的第i号块的长度，di为第i号块重心到梁体中心线的距离，m0为第0号块的质量，即最中间的块的质量，l0为第0号块的长度，n表示块的总数；

67、基于转体球铰处的转动摩阻力矩预测子模型得到加速度预测子模型的公式为：

68、

69、其中，fd表示动力矩，ωz表示加速度，n表示块的总数；

70、当连续梁的角速度进入匀速阶段，此时得到牵引力预测子模型的公式为：

71、

72、tz＝0

73、其中，f表示牵引力，d表示球铰直径；

74、最大扭转剪应力预测子模型的公式为：

75、

76、其中，wp为主墩下部薄弱截面的抗扭截面系数，τmax表示最大扭转剪应力；极限转动加速度预测子模型的公式为：

77、

78、其中，j为转动惯量，y为弯曲中心距边缘的距离，i为根部截面惯性矩，ft表示极限转动加速度；

79、惯性制动距离预测子模型的公式为：

80、

81、

82、w1＝m1θ

83、其中，ri表示i号块到转动中心的距离，w1为转动的动能，m1为摩擦力矩，通过转动动能和摩擦力矩确定桥梁在惯性作用下的转动角度，在根据梁长即计算出惯性制动距离：

84、

85、其中，r表示桥梁最远端到转动中心的距离，表示转动动能和摩擦力矩确定的桥梁在惯性作用下的转动角度。

86、与现有技术相比，本发明的优点在于：

87、一、本发明通过构建重点监测项预测模型，实现了对桥梁易损部位应力应变情况的监测，有效的获知了桥梁结构的受力响应及变形状态，通过对桥梁易损部位的实时检测，能够有效避免桥梁在转体过程中发生损坏的不良情况；

88、二、本发明通过可视化模型(桥梁建筑信息模型)与重点监测项预测模型的配合，实现桥梁转体过程的全程阶段可视化和数据可视化，借助各类传感器的配合，及时获取桥梁转体过程的数值和当前状态的稳定性评估数据，提高了桥梁转体的成功率和可控性；

89、三、本发明能够实现转体过程的全过程留痕，保证桥梁转体施工控制信息、监测信息、施工信息的完整性，有助于后期维护与运营的数据追溯。